對于CCTV攝像機(jī)來說，最重要的性能是分辨率和感光度（低照度性能）。由于CCTV攝像機(jī)可以發(fā)揮人眼的作用，幫助人類進(jìn)行安全防范，因此，各大生產(chǎn)商都在努力提高其性能。近年來出現(xiàn)了一種高性能攝像機(jī)，它可以在黑暗環(huán)境中拍攝到人肉眼看不到的景物。本文就與大家探討一下這種可實(shí)現(xiàn)低照度性能的技術(shù)。

 
文/日本JVC株式會社　郷田秀章

拍攝物的最低照度
在我們?nèi)粘Ｉ瞽h(huán)境下的亮度單位用lx（勒克斯）表示，如果用lx表示我們身邊環(huán)境的亮度，則如表1所示。

攝像機(jī)的低照度性能標(biāo)準(zhǔn)用拍攝物的最低照度來表示，這可以采用灰度圖進(jìn)行測試。在色溫3100Ｋ的環(huán)境下降低拍攝物的光度，在灰度圖中央的窗口部（白色部位）達(dá)到指定的視頻電平（50％）時(shí)，讀取其光度值（lx）。數(shù)值越小，則表示感光度越好，可以清楚地拍攝陰暗環(huán)境下的景物。如果光度值在上述亮度以下，則可用攝像機(jī)拍攝到影像（表1為標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)際設(shè)置時(shí)需要事先測定現(xiàn)場的光度）。

 
有的生產(chǎn)商在測定時(shí)把視頻電平設(shè)定在20％以下，這么一來，即便有些攝像機(jī)具有表1所示亮度以下的最低拍攝物光度性能，所拍攝到的影像也不會清晰。選擇攝像機(jī)時(shí)不能單純地看lx值，還需要把測定時(shí)的視頻電平統(tǒng)一起來，否則無法比較攝像機(jī)的好壞。

低照度攝像機(jī)的技術(shù)要素
對于在陰暗環(huán)境下如何清晰地拍攝到景物的低照度技術(shù)，可以從三方面進(jìn)行說明：取光口“鏡頭和光學(xué)系”、把光轉(zhuǎn)換為電荷的“圖像傳感器”、把得到的信號進(jìn)行可視性加工的“信號處理回路”。（如圖1所示）

低照度攝像機(jī)的鏡頭和光學(xué)系
明亮的鏡頭
為了捕捉到低照度的影像，需要采用明亮的鏡頭，因?yàn)樗枪獾娜肟谒凇ｇR頭的亮度用F值（光圈）表示。F值用：F值＝f（焦點(diǎn)距離）/ D（鏡頭的有效口徑）表示，它與口徑成反比，與焦點(diǎn)距離成正比。在焦點(diǎn)距離相同的條件下，口徑越大，F(xiàn)值越小，鏡頭越明亮。（如圖2所示）

把F值乘以2，然后把得到的數(shù)值取倒數(shù)，就可簡單地比較出鏡頭的光量比了。比如，比較F1.0和F1.4的話，則為：F1.02＝1.0倒數(shù)為1/1=1；F1.42＝2.0倒數(shù)為1/2＝0.5。把F1.0鏡頭和F1.4進(jìn)行比較，前者的圖像傳感器的采光量要比后者多出2倍以上。一般低照度攝像機(jī)通常采用F1.2左右的鏡頭。但最近也出現(xiàn)了采用F1.0鏡頭的攝像機(jī)。

前面提到，低照度性能的提高和F值成反比例的。但在低于F1.0的明亮鏡頭中，也有不能按照上述計(jì)算公式來提高低照度性能的情況，這就是芯片式微型鏡頭。在這種鏡頭的圖像傳感器中，每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)微小的鏡頭（芯片式微型鏡頭），周圍射入的光與圖像傳感器的圖像表面無法成直角。從某種程度上講，圖像傳感器就是基于這種考慮而設(shè)計(jì)的。大口徑鏡頭受上述情況的影響較大，微型鏡頭不能充分地采光。因此，F(xiàn)值過小的話，鏡頭的價(jià)格是上去了，但并不能得到期望的低照度性能。

TRUE DAY＆NIGHT功能
光是電磁波的一種，其波長可按圖3進(jìn)行分類。我們?nèi)祟惪梢愿兄降目梢暪饩€波長約為400nm～700nm。而CCD和CMOS等以硅為原料的固體攝像單元可以感知到可視光以外的各種光線，尤其是可以感知到與可視光線的波長相近的近紅外線。我們?nèi)祟惛兄坏郊t外線光，顯示器也無法顯示這種紅外線光。由于該紅外線光會損害顏色的正確再現(xiàn)，通常要在圖像傳感器的前面插入紅外線攔截過濾器，以便把這種紅外線光攔截掉。

如果把近紅外線進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)行黑白顯示的話，就可實(shí)現(xiàn)“看到看不見的東西”了。彩色條件下，需要插入紅外線攔截過濾器，而在低照度條件下，需要拔掉紅外線攔截過濾器進(jìn)行黑白顯示。本功能稱為TRUE DAY&NIGHT功能。從構(gòu)造上可以分為插在相機(jī)側(cè)和插在鏡頭側(cè)2種。為后一種構(gòu)造時(shí)，需要有紅外線攔截過濾器的插拔控制信號，因此主要應(yīng)用在球型攝像機(jī)等鏡頭一體型的攝像機(jī)上。

DAY＆NIGHT鏡頭
如前所述，光的顏色不同，波長也不同，折射率（射入或射出玻璃時(shí)，行進(jìn)方向發(fā)生變化）也不同。也就是說，即便是同一鏡頭，由于光的顏色不同，其焦點(diǎn)位置也不同，這稱為軸上色差。CCTV鏡頭采用多個(gè)鏡頭進(jìn)行組合，或是借助涂膜攔截不需要波長的光線，最終使波長不同的可視光都能聚集在同一焦點(diǎn)上。

在紅外線領(lǐng)域，有些鏡頭因修正不充分而導(dǎo)致產(chǎn)生色差，或是因?yàn)橥ǔl件下插入了紅外線攔截過濾器，雖然CCD圖像表面沒有收集到焦點(diǎn)不同的紅外線，但在拔掉紅外線攔截過濾器后的黑白狀態(tài)下，焦點(diǎn)會模糊不清。

在近紅外線條件下，修正色差的鏡頭稱為DAY&NIGHT鏡頭。DAY＆NIGHT鏡頭的實(shí)現(xiàn)方法各種各樣，其性能差異也很大。通常有兩種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)：第一種，在原始基本設(shè)計(jì)中，變更軸上色差少的鏡頭表面的涂膜，提高近紅外線透射率的鏡頭。比不易產(chǎn)生色差的鏡頭材料價(jià)格便宜，但性能一般；第二種，不易產(chǎn)生色差的鏡頭材料（ED＝使用異常分散玻璃、螢石等），價(jià)格非常高。CCTV鏡頭一般采用第一項(xiàng)技術(shù)。最終需要根據(jù)照明、圖像傳感器的感光度特性來選擇鏡頭。

 
總之，照明時(shí)不具備能源特性的波長并不射入鏡頭中，因此不需要擔(dān)心產(chǎn)生色差。另外在圖像傳感器不具有感光度的波長區(qū)段內(nèi)，焦點(diǎn)不吻合的光不進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，也不需要擔(dān)心產(chǎn)生色差。結(jié)合這些規(guī)律，只要把握好照明的波長和圖像傳感器的感光度特性，就可選擇經(jīng)濟(jì)又劃算的鏡頭了。

 
低照度攝像機(jī)的圖像傳感器
接下來介紹一下可把光轉(zhuǎn)換為信號的部分圖像傳感器的低照度技術(shù)?，F(xiàn)在，CCTV攝像機(jī)使用的大都是CCD、CMOS圖像傳感器。

CCD圖像傳感器，是用受光單元（光電二極管）把光轉(zhuǎn)換為電荷，然后把電荷進(jìn)行垂直和水平轉(zhuǎn)送，然后用輸出放大器把電荷轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行輸出。這種接力傳遞式的轉(zhuǎn)送結(jié)構(gòu)稱為CCD。由于以前使用的都是延時(shí)單元等，最近使用的則主要是圖像傳感器。受光單元稱為像素，其數(shù)量稱為像素?cái)?shù)。PAL電視系統(tǒng)使用的有效像素一般為27萬或44萬像素。

CMOS將光轉(zhuǎn)換為電荷的部分與CCD相同，但并不轉(zhuǎn)送轉(zhuǎn)換過的電荷，而是立即將其轉(zhuǎn)換為電壓。調(diào)用方法和制造工藝與CCD不同。

現(xiàn)在，在感光度和信噪比上，CCD占有優(yōu)勢。但CMOS的優(yōu)點(diǎn)是耗電少(約為CCD的1/10)、無污點(diǎn)（拍攝高亮度的物體時(shí)，監(jiān)控畫面不出現(xiàn)白色的豎線）、制造簡便，因此當(dāng)前正在進(jìn)行技術(shù)改造。特別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)并不受監(jiān)控系統(tǒng)的制約，現(xiàn)在出現(xiàn)了100萬像素以上的攝像機(jī)（兆象素?cái)z像機(jī)），而且今后像素?cái)?shù)還會進(jìn)一步增加，無需確保轉(zhuǎn)送電路的面積即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，CMOS圖像傳感器就可發(fā)揮出優(yōu)于CCD圖像傳感器的低照度性能。

由于圖像傳感器是把光轉(zhuǎn)換為電荷信號的單元，因此進(jìn)行該項(xiàng)轉(zhuǎn)換的效率會大大影響攝像機(jī)的低照度性能。實(shí)現(xiàn)更好的低照度性能的條件為：像素尺寸大、圖像傳感器自身的感光度高（光電二極管的性能好、電荷/電壓轉(zhuǎn)換放大器的性能好）、具有更廣波長范圍的感光度特性。

圖像傳感器的像素尺寸
只要相應(yīng)放大圖像傳感器整個(gè)受光面的大小等于圖像尺寸，就可擴(kuò)大圖像傳感器光電荷轉(zhuǎn)換部的像素大小等于像素單元尺寸。以CCTV攝像機(jī)攝像單元、有效像素為44萬像素（總像素?cái)?shù)為47萬像素）的CCD為例，其圖像尺寸和像素單元尺寸如圖4所示。圖像尺寸以對角線的尺寸為基礎(chǔ)，以型進(jìn)行表示。

圖4中，1/2型CCD的像素單元尺寸大約是1/4型CCD的一倍，性能也優(yōu)越許多。但一枚硅片能夠拍攝的數(shù)量較少，價(jià)格相對較高。放大像素單元尺寸的方法之一是減少像素?cái)?shù)，但實(shí)際上27萬像素1/3型CCD的感光度接近44萬像素1/2型CCD，無法兼顧C(jī)CTV攝像機(jī)的另一個(gè)重要性能——分辨率性能。因此當(dāng)前1/2型44萬像素CCD應(yīng)該可以說是性能最卓越的CCD了。

芯片式微型鏡頭
關(guān)于圖像傳感器，除了像素以外，CCD需要把轉(zhuǎn)送電路等做到同一硅片上，像素單元尺寸的擴(kuò)大也有個(gè)限度。在同一像素單元尺寸下，把更多的光導(dǎo)向像素的技術(shù)方法是采用芯片式微型鏡頭。具體是把一個(gè)個(gè)的像素分別做成微小的鏡頭，把射入像素以外的部分的光導(dǎo)向像素部分。這不僅局限于CCD、CMOS，對于提高普通圖像傳感器的感光度也很有幫助。

如上述的圖2所示，在圖像傳感器的圖像表面，光并不垂直射入中心以外的攝像面。特別是在周邊部位，采用大口徑鏡頭時(shí)情況尤其明顯。由于在該狀態(tài)下芯片式微型鏡頭不能充分聚光，在采用F1.0以下的大口徑鏡頭時(shí)，即便是把F值放小，低照度性能也未必提高到像計(jì)算的那樣高。

 
調(diào)用放大器的改進(jìn)
把在像素中進(jìn)行光—電荷轉(zhuǎn)換時(shí)得到的“電荷”轉(zhuǎn)換為“電壓”的輸出放大器，通過微小的電容進(jìn)行電荷電壓轉(zhuǎn)換。每個(gè)像素的電荷通過轉(zhuǎn)送電路得以隨時(shí)轉(zhuǎn)送，作為流入到電容中的電壓使用。眾所周知，電壓V和電容C、電荷量Q的關(guān)系為：V＝Q／C。在電荷量相同的條件下，電容越小，得到的信號電壓就越大。

 
但這并不是說只要有小點(diǎn)的電容就可以了。由于從像素得到的電荷量極少，在不減少放大器發(fā)出的各種噪音的前提下，輸出越大，噪音也一起增大。其主要噪音是暗電荷流，即便是在沒有光的狀態(tài)下，只要有熱量，就會產(chǎn)生電荷，進(jìn)而產(chǎn)生暗電荷流。另外一個(gè)是輸出放大器，為了把每個(gè)像素的電荷轉(zhuǎn)換為電壓，每次都需要把電容內(nèi)的電荷放空。但該操作不能完全放空電荷，殘留的電荷在互相流動(dòng)時(shí)也會產(chǎn)生噪音等。
這些都是從傳感器得到較大信號輸出的障礙，因此圖像傳感器的生產(chǎn)商一直在降低噪音方面進(jìn)行技術(shù)革新，每年的輸出量都在逐漸增大。

 
近紅外對應(yīng)圖像傳感器
在前述中的TRUE DAY&NIGHT功能說明中，介紹了CCD、CMOS等圖像傳感器對近紅外線的感光度，利用這一特性，可以通過插拔紅外線攔截過濾器來實(shí)現(xiàn)低照度性能。最近出現(xiàn)了能夠進(jìn)一步提高對近紅外線的感光度的CCD，這就是近紅外CCD（NIR-CCD）。（如圖5所示）

由于硅是一種半透明的物質(zhì)，光的波長不同，到達(dá)的深度也不同。由于近紅外線的光可以到達(dá)像素的深處，所以光和電荷之間就可進(jìn)行較高效率的轉(zhuǎn)換。在DAY&NIGHT功能中配以NIR-CCD，效果則更明顯。

 
EM CCD圖像傳感器
除了前面所講的CCD，目前還有進(jìn)一步提高圖像傳感器的感光度的手段——EM-CCD。在硅片中排列的電極上施加高電壓就會出現(xiàn)比較容易蓄積電荷的井。CCD的原理就是使施加在電極上的電壓逐一發(fā)生變化，從而使電荷發(fā)生移動(dòng)（將EM-CCD和光電二極管組合使用，就做成了CCD圖像傳感器）。通常的圖像傳感器在轉(zhuǎn)送時(shí)需要有8V左右的電壓，在采用更高的電壓（15V左右），形成較深的電荷井，并向其中導(dǎo)入信號電荷時(shí)，信號電荷在落入井內(nèi)時(shí)會和硅結(jié)晶內(nèi)的分子發(fā)生碰撞，信號電荷就會有明顯的增加。

把垂直轉(zhuǎn)送后的水平轉(zhuǎn)送部設(shè)置電荷增加功能，這就是EM-CCD圖像傳感器。可以把電荷倍增用的水平轉(zhuǎn)送部設(shè)為100段以上，信號電荷最大可以增加1000倍。

EM-CCD的優(yōu)點(diǎn)是在輸出放大器的前面增加電荷量，無需增強(qiáng)輸出放大器產(chǎn)生的噪音就可增加信號。另一方面，像素（光電荷轉(zhuǎn)換部）產(chǎn)生的暗電荷流會一起增大，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能，抑制暗電荷流，就需要冷卻圖像傳感器。冷卻采用的是派耳帖元件（Peltier），但這么一來成本就有了大幅度的上升。

低照度攝像機(jī)的信號處理回路
慢快門
圖像傳感器通常是以1/50秒的間隔來調(diào)用影像。由于像素中得到的電荷量隨著時(shí)間的增加而增加，因而我們發(fā)明了一種慢快門功能，它不進(jìn)行長時(shí)間的調(diào)用，而是持續(xù)像素中的光電荷轉(zhuǎn)換。但由于PAL系統(tǒng)需要從攝像機(jī)輸出為每幀1/50秒，特裝備了圖像內(nèi)存，在圖像傳感器不進(jìn)行調(diào)用時(shí)，持續(xù)輸出前回調(diào)用的同一圖像。

延長調(diào)用間隔的話，2/50秒調(diào)用一次就可提高2倍的感光度，4/50秒調(diào)用一次就可提高4倍的感光度。為了持續(xù)長時(shí)曝光，所以調(diào)用動(dòng)作不能太快。現(xiàn)實(shí)中可作為動(dòng)畫使用的是4倍（曝光4/50秒）模式左右。

DNR（DIGITAL NOISE REDUCTION）
在CCTV相機(jī)中，信號處理采用DSP方式。而DNR是在水平、垂直以及框架間取一個(gè)移動(dòng)平均值，它具有隨機(jī)消除噪音的功能。由于DNR可以減少畫面噪音，可相對提高信號的增幅，進(jìn)而提高低光度。其弱點(diǎn)是輪廓較大，移動(dòng)不方便?，F(xiàn)已開發(fā)出了多種家用VTR技術(shù)，預(yù)計(jì)今后可裝配更高性能的DNR了。

未來發(fā)展的趨勢
上文中已從低照度攝像機(jī)各重要部件介紹了該產(chǎn)品的一些技術(shù)。作為JVC的低照度攝像機(jī)，TK-C1480中已有1/2型、NIR-CCD、TRUE DAY&NIGHT機(jī)構(gòu)、慢快門，以及低照度技術(shù)等各種技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品。

在同行業(yè)中，我們的固體攝像單元、特別是CCD技術(shù)已取得了長足的進(jìn)展，攝像機(jī)的低照度化也得到大幅度的推進(jìn)，但還不能說已經(jīng)完全滿足了用戶監(jiān)視陰暗場所的需求。

適應(yīng)攝像機(jī)小型化的圖像傳感器的小型化、CMOS化、普及網(wǎng)絡(luò)相機(jī)所要求的兆象素化，應(yīng)該是未來所發(fā)展的方向。這對于低照度攝像機(jī)來說，困難在增加。

在低照度攝像機(jī)領(lǐng)域，CCD可以繼續(xù)保持優(yōu)勢，但還存在一個(gè)問題：大眾價(jià)格的攝像機(jī)如何實(shí)現(xiàn)低照度。所以從這點(diǎn)上講，CMOS圖像傳感器還需要繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)革新。
電荷狀態(tài)下，從像素部分向輸出放大器轉(zhuǎn)送電荷的CCD圖像傳感器，為了輸送大量電荷，需要確保大的轉(zhuǎn)送電路。這對實(shí)現(xiàn)小型化和高像素化方面是個(gè)不利因素。而取出電壓的CMOS不受這方面的制約，在實(shí)現(xiàn)小型化、高像素化方面是有優(yōu)勢的。

 
另外為了高速讀取信號，可能需要在同一框架內(nèi)進(jìn)行多次高速快門。（JVC的TK-WD310利用的就是這一特性）在利用穩(wěn)定器技術(shù)進(jìn)行高速快門的同時(shí)，需要檢出圖像的移動(dòng)并進(jìn)行合成。所以我們正在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究，力爭開發(fā)出一種像慢快門那樣既可持續(xù)提高低照度下的感光度，又可抑制圖像抖動(dòng)的技術(shù)。

相信通過持續(xù)改進(jìn)鏡頭、圖像傳感器、影像回路，低照度攝像機(jī)也會不斷更新?lián)Q代的。