從“光污染”也談監(jiān)控?cái)z像機(jī)設(shè)備選型之一二

[摘要] 光污染是繼廢氣、廢水、廢渣和噪聲等污染之后的一種新的環(huán)境污染源，正在威脅著人們的健康和生活。在日常生活中，人們常見的光污染的狀況多為由鏡面建筑反光所導(dǎo)致的司機(jī)和行人的眩暈感，以及夜晚不合理燈光給人體造成的不適感，所以有些卡口和道路兩邊攝像機(jī)補(bǔ)光燈強(qiáng)烈的光照，就屬于光污染其中的一種。

文/劉本軍　黃健  萬波（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院教研室主任、宜昌市公安局科技信息處網(wǎng)絡(luò)工程師、宜昌市夷陵區(qū)智慧城市建設(shè)辦公室網(wǎng)絡(luò)工程師）

光污染是繼廢氣、廢水、廢渣和噪聲等污染之后的一種新的環(huán)境污染源，正在威脅著人們的健康和生活。在日常生活中，人們常見的光污染的狀況多為由鏡面建筑反光所導(dǎo)致的司機(jī)和行人的眩暈感，以及夜晚不合理燈光給人體造成的不適感，所以有些卡口和道路兩邊攝像機(jī)補(bǔ)光燈強(qiáng)烈的光照，就屬于光污染其中的一種。

圖1　蛛網(wǎng)密布

近幾日在街頭閑逛隨手拍了幾張照片，如圖1，由于攝像機(jī)補(bǔ)光燈夜間補(bǔ)光，造成蚊蟲飛舞，所以攝像頭下蛛網(wǎng)密布，雖然給蜘蛛俠們提供了豐富可口的食物，但給文明城市創(chuàng)建卻帶來了不大不小的麻煩：清潔工們雖然可以清掃，可是太高一般無法直接清掃，需要專門的梯子和車輛，但這不是他們的工作職責(zé)；攝像機(jī)的管理和運(yùn)維部門由于經(jīng)費(fèi)捉襟見襯無法顧及，日積月累所以問題就暴露出來了。

同樣一個(gè)地段，夏季某天早上7：38分和8：04分二次路過，如圖2，攝像機(jī)補(bǔ)光燈常亮未熄。夜間路過此地段時(shí)，刺眼的補(bǔ)光燈燈光照射的行人不得不低頭或者側(cè)過身體，來躲避燈光。我在想犯罪分子路過此地段時(shí)，看著如此耀眼的燈光，會(huì)猜想到是監(jiān)控?cái)z像機(jī)補(bǔ)光燈的燈光，可能會(huì)選擇繞行或者其它的方式來躲避監(jiān)控，如此強(qiáng)烈的“光污染”早已失去安裝監(jiān)控?cái)z像機(jī)的意義！

圖2　補(bǔ)光燈常亮不熄

現(xiàn)階段平安城市建設(shè)內(nèi)容已迅速擴(kuò)張至平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)、平安社區(qū)項(xiàng)目，監(jiān)控點(diǎn)位的安裝條件和部署環(huán)境逐漸惡劣，為提高監(jiān)控畫面的質(zhì)量，越來越多的點(diǎn)位選擇夜間增加補(bǔ)光燈為攝像機(jī)成像作補(bǔ)充，所以就有很多家媒體報(bào)道，所在城市卡口和道路兩邊的攝像機(jī)補(bǔ)光燈強(qiáng)光閃眼，“光污染”嚴(yán)重。雖然設(shè)備廠商表明補(bǔ)光設(shè)備每次閃光只有1/3000秒，遠(yuǎn)低于人每次眨眼需要的0.3-0.4秒時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于人眼的**實(shí)際上很小，但經(jīng)過強(qiáng)烈燈光“洗禮”的車主和行人也不在少數(shù)，相信有怨言的也并非個(gè)別人。其實(shí)我們可以在攝像機(jī)相關(guān)設(shè)備選型上下些功夫，來解決這些頭痛的問題。

公安部有針對(duì)電子警察的部級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GAT1202-2014《交通技術(shù)監(jiān)控成像補(bǔ)光裝置通用技術(shù)規(guī)范-2014年最新標(biāo)準(zhǔn)》，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定給智能交通補(bǔ)光裝置應(yīng)用設(shè)立了一個(gè)技術(shù)門檻，既規(guī)范了智能交通補(bǔ)光裝置的應(yīng)用，又方便了補(bǔ)光裝置生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)管理，營(yíng)造一個(gè)良好的市場(chǎng)環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)補(bǔ)光裝置的光照度設(shè)立了上限與下限，上限是為了防止光污染，不能一味的追求圖片效果而影響到駕駛?cè)思皵_民，而下限是為了保證補(bǔ)光燈的實(shí)際補(bǔ)光效果，該標(biāo)準(zhǔn)在光學(xué)性能這一塊規(guī)范了三種形式的補(bǔ)光：

一、頻閃方式補(bǔ)光：在閃光瞬間可持續(xù)以大功率形式輸出，大大提高攝像機(jī)曝光期內(nèi)光輸出能量，并通過調(diào)節(jié)閃光長(zhǎng)度能夠使發(fā)光與攝像機(jī)曝光時(shí)間有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)夜間抓拍與錄像功能，可以認(rèn)為頻閃燈一直亮著的，但其實(shí)是一閃一閃的，人肉眼基本上感覺不到。

“標(biāo)準(zhǔn)”中4.3.1頻閃方式補(bǔ)光裝置：補(bǔ)光區(qū)域內(nèi)光照度應(yīng)均勻、無暗區(qū)、無明顯抖動(dòng)；在距離補(bǔ)光裝置20m處，基準(zhǔn)軸上的峰值光照度應(yīng)小于等于300lx，平均光照度應(yīng)小于等于50lx；在制造商標(biāo)稱的補(bǔ)光區(qū)域內(nèi)，峰值光照度應(yīng)大于等于基準(zhǔn)軸上峰值光照度的50%。

圖3　普通頻閃燈與外置光柵頻閃燈

頻閃燈啟動(dòng)后，與監(jiān)控?cái)z像機(jī)視頻同步，可以實(shí)現(xiàn)與視頻流中的每幀曝光都能同步，但因?yàn)榱炼炔粔蚋?，補(bǔ)光效果并不是很好，一般用于視頻檢測(cè)或車牌補(bǔ)光?，F(xiàn)在有不少?gòu)S商，包括?？低暋⒂钜暥加型庵霉鈻诺念l閃燈，通過加裝遮光罩，將光束匯聚到車牌區(qū)域，盡可能地減少補(bǔ)光燈對(duì)駕駛?cè)诵熊嚢踩斐傻挠绊懸约皩?duì)周邊環(huán)境造成的“光污染”，如圖3，左邊為普通頻閃燈，右邊為外置光柵頻閃燈。

二、脈沖方式補(bǔ)光：以往早期用于智能交通監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)光燈，通常是用幾臺(tái)幾千瓦的金鹵燈補(bǔ)光，但其功耗大，壽命短，每當(dāng)開車路過都會(huì)爆閃一下的那種，對(duì)駕駛?cè)藛T會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的眩目感，后來就采用氙氣爆閃燈，也有叫氣體閃光燈。

氙氣爆閃燈發(fā)光原理是“氣體放電發(fā)光”，在一定電壓和觸發(fā)條件下，瞬間使燈管內(nèi)氣體電離，產(chǎn)生高電流的電弧，電弧中產(chǎn)生 4000K--12000K色溫的強(qiáng)勁光芒，亮度比LED頻閃燈高些，可以做到單幀同步曝光，補(bǔ)光效果較好，一般用于抓拍單張圖片，可以比較清晰地監(jiān)測(cè)到駕駛室內(nèi)的人臉。

“標(biāo)準(zhǔn)”中4.3.2脈沖方式補(bǔ)光裝置：補(bǔ)光照明區(qū)域內(nèi)光照度應(yīng)均勻、無暗區(qū)；在距離補(bǔ)光裝置20m處，基準(zhǔn)軸上的有效光照度應(yīng)小于等于4000lx，點(diǎn)亮?xí)r間應(yīng)小于等于2ms；在制造商標(biāo)稱的補(bǔ)光區(qū)域內(nèi)，有效光照度應(yīng)大于等于基準(zhǔn)軸上有效光照度的50%。

氙氣爆閃燈雖然滿足了相機(jī)夜間補(bǔ)光，也減緩了對(duì)駕駛?cè)藛T的眩目感，但它也有以下缺點(diǎn)：（1）、由于電容的充電時(shí)間慢，放電快（1秒鐘只能閃3-5次），當(dāng)車流量大的情況下單臺(tái)氙氣爆閃燈不能滿足補(bǔ)光，攝像機(jī)會(huì)有抓拍到部分漆黑的圖像；（2）、質(zhì)量好的氙氣爆閃燈的閃光壽命一般只有300萬次，質(zhì)量較差的不到30萬次，所以氙氣爆閃燈壽命短，車流量大的監(jiān)控點(diǎn)一年內(nèi)要有時(shí)要換幾次設(shè)備；（3）、氙氣爆閃燈因?yàn)樽陨碓虿荒苡糜阡浵瘢噪瘹獗W燈不能用于在基于視頻檢測(cè)方式的電子警察或卡口項(xiàng)目。

為了減少“光污染”，很多廠商推出了多種類型的爆閃燈：（1）、爆閃燈（白光型）：適用卡口，抓拍駕駛室的情況；（2）、爆閃燈（防炫目型）：內(nèi)置了光柵，一定程度上減少爆閃對(duì)駕駛員炫目影響；（3）、爆閃燈（紅外爆閃燈）：在白天使用優(yōu)質(zhì)偏振片，透過可見光，同時(shí)濾除車窗表面產(chǎn)生的偏振光，在夜間使用可見光截止濾片，用來濾除可見光，使紅外光通過。由于曝光的是紅外光，駕駛員無感知。

要注意的是紅外爆閃的紅外光因?yàn)楣鈴?qiáng)沒有白光強(qiáng)，夜間抓拍駕駛室沒有問題,但白天因?yàn)樽匀还馓珡?qiáng)，紅外光壓不下去，最好還是加裝白光爆閃燈，夜間啟動(dòng)紅外光。白天自然光很強(qiáng)，爆閃光對(duì)駕駛員的感知不會(huì)太明顯。但是，如果測(cè)速卡口必須用白光爆閃，因?yàn)闇y(cè)速等違法處罰要求必須是彩色圖片，而紅外爆閃燈抓拍圖片為黑白。

三、持續(xù)點(diǎn)亮方式補(bǔ)光：所謂持續(xù)點(diǎn)亮就是不用連接其它觸發(fā)信號(hào)，只要一通電就一直亮或夜間一直亮（加裝光控或者時(shí)控電路）的LED補(bǔ)光燈，有時(shí)也叫LED常亮方式補(bǔ)光。圖2就是采用持續(xù)點(diǎn)亮方式補(bǔ)光，出現(xiàn)這種情況筆者分析是位于補(bǔ)光燈后面的光敏電阻被蜘蛛網(wǎng)等雜物遮擋（如圖4），所以造成夏季早上8點(diǎn)之后還不關(guān)閉的現(xiàn)象。

圖4

“標(biāo)準(zhǔn)”中4.3.3持續(xù)點(diǎn)亮方式補(bǔ)光裝置：補(bǔ)光照明區(qū)域內(nèi)光照度應(yīng)均勻、無暗區(qū)；在距離補(bǔ)光裝置20m處，基準(zhǔn)軸上的光照度應(yīng)小于等于50lx；在制造商標(biāo)稱的補(bǔ)光區(qū)域內(nèi)，光照度應(yīng)大于等于基準(zhǔn)軸上光照度的50%。

LED常亮補(bǔ)光燈壽命比氙氣爆閃燈長(zhǎng)，但亮度不及氙氣爆閃燈和LED頻閃燈，同時(shí)工作時(shí)的發(fā)熱量比LED頻閃燈大。市面上的LED常亮燈功率一般只有幾十瓦，攝像機(jī)感應(yīng)到的光照度也不如LED頻閃燈，特別是為了拍清高速移動(dòng)的車輛，電子快門調(diào)快后，傳感器的曝光時(shí)間縮短，很難達(dá)到補(bǔ)光的要求，同時(shí)也會(huì)對(duì)司機(jī)產(chǎn)生剌眼的干擾。通俗的講，就是人眼感覺很亮，但是攝像機(jī)拍照出來的圖像并不很亮。

其實(shí)在很多環(huán)境下可以采用紅外技術(shù)來解決補(bǔ)光問題，紅外線不可見，所以紅外LED補(bǔ)光燈更加隱秘，絕大部分廠商都提供紅外技術(shù)的攝像機(jī)，并且產(chǎn)品線較齊全，不過要看清各個(gè)廠商采用的第幾代紅外燈技術(shù)，中間有所區(qū)別。LED芯片結(jié)合封裝技術(shù)發(fā)展，紅外燈技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷以下三代：

一、第一代傳統(tǒng)LED（直插式）：單個(gè)發(fā)光二極管，采用環(huán)氧樹脂（Epoxy）封裝，受熱易斷裂，芯片尺寸在12mil～16mil之間，封裝尺寸基本為φ5、φ8左右，這是目前使用最普遍的零件，幾乎占有95%以上的市場(chǎng)，但品質(zhì)參差不齊，所以價(jià)格差異也大，從人民幣3角到1元不等。但其熱電不分離，光衰大、距離有限，壽命存在局限性，需要增加整個(gè)燈的體積和LED個(gè)數(shù)。

二、第二代陣列式紅外燈：它集成了多顆小功率LED在一個(gè)小范圍內(nèi)，并作了“熱電分離”處理，使得整個(gè)零件能置于任意大小、任意形狀的散熱體上，從而解決了散熱問題，同時(shí)減少對(duì)周邊元器件的熱“貢獻(xiàn)”。又由于使用的封裝材料不斷裂而極大的減少了光衰減，壽命較傳統(tǒng)LED長(zhǎng)了5-10倍。但因發(fā)熱量較大，光效用低，亮度不足，成本較高，容易出現(xiàn)聚光偏心現(xiàn)象（發(fā)光點(diǎn)偏離了透鏡的中央），所以并未全面推廣使用。

三、第三代功率型紅外燈：它既有第二代體積小，散熱處理好，壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，又解決了因偏心現(xiàn)象而不夠亮的缺點(diǎn)。整個(gè)設(shè)備做得較緊湊，紅外燈內(nèi)置所以隱蔽性較好，表面一次透鏡采用硅膠，且封裝方向從平面向朗伯體發(fā)展，利于出光。第三代點(diǎn)陣式紅外燈的價(jià)格接近或低于傳統(tǒng)LED，逐漸在主流廠家新品中體現(xiàn)。

除了在紅外燈上面做文章外，很多廠商在攝像機(jī)設(shè)備的材質(zhì)下功夫，例如宇視公司部分?jǐn)z像機(jī)紅外視窗采用特殊紅黑高透材質(zhì)，透過率達(dá)到93%，高于普通玻璃透過率（約85%），同等功耗下補(bǔ)光效率更高。同時(shí)該材料對(duì)可見光截止，可有效濾除紅外燈中的可見光部分，減輕紅爆現(xiàn)象，降低夜間昆蟲趨光現(xiàn)象。?？低曅陆Y(jié)構(gòu)點(diǎn)陣紅外筒機(jī)采用紅外增透面板，比普通玻璃的紅外透光率高10%左右，紅外照射距離更遠(yuǎn)，同時(shí)無紅暴紅外技術(shù)，集成了兩種先進(jìn)手段：“LED薄膜發(fā)光技術(shù)”將發(fā)光波段控制在940nm以上，發(fā)光效果更高利用，“紅光吸收技術(shù)”大幅度降低了光譜中紅光的比例，實(shí)現(xiàn)真正的無紅暴補(bǔ)光，無紅暴效果提升30%以上。

根據(jù)公安機(jī)關(guān)權(quán)威統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：接近70%的犯罪都是在夜間發(fā)生，從晚上7點(diǎn)到次日凌晨5點(diǎn)是犯罪事件的高發(fā)期，黑夜成了罪犯的天然保護(hù)傘，從另外一個(gè)角度也反映出了現(xiàn)有監(jiān)控?cái)z像機(jī)夜視效果堪憂的問題，不僅降低了破案效率，同時(shí)也弱化夜間視頻監(jiān)控了對(duì)犯罪分子的威懾作用。采用傳統(tǒng)補(bǔ)光燈補(bǔ)光技術(shù)難免會(huì)形成“光污染”，傳統(tǒng)的紅外補(bǔ)光技術(shù)雖然能在低照度下獲得清晰的成像，但會(huì)失去色彩,只能形成黑白圖像，而且通過紅外補(bǔ)光車牌這類高反光的物體很容易過曝，而衣著顏色、車身顏色、車牌等又往往都是破案的關(guān)鍵線索，丟失不得，所以低照度下的清晰彩色成像需求越來越多，星光級(jí)低照成像技術(shù)開始發(fā)展，并逐步成熟，越來越多的廠商都推出了各種款型的高清星光級(jí)攝像機(jī)。

圖5　普通與星光級(jí)攝像機(jī)低照效果

如圖5對(duì)比所示，這是在路燈未開啟的園區(qū)內(nèi)，夜晚同一時(shí)間普通相機(jī)與星光級(jí)低照相機(jī)的效果對(duì)比。普通相機(jī)在強(qiáng)制彩色后獲得的圖像只能隱約看到樹木、道路、建筑的輪廓，整體環(huán)境一片漆黑，已經(jīng)失去了監(jiān)控的作用;而宇視這款星光級(jí)低照攝像機(jī)對(duì)于道路、建筑物、甚至遠(yuǎn)處車輛的細(xì)節(jié)都能還原得非常清晰，而且整體畫面沒有明顯的噪點(diǎn)，低照下的彩色效果表現(xiàn)優(yōu)秀。

其實(shí)星光級(jí)攝像機(jī)在結(jié)構(gòu)上與普通攝像機(jī)完全一致，其效果差異主要來自于底層硬件性能的提升和圖像調(diào)校算法的進(jìn)一步優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

一、傳感器技術(shù)的改變：目前主流的攝像機(jī)都采用CMOS傳感器，雖然在剛起步時(shí)兩種傳感器結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理的不同，CMOS在低照下的成像效果確實(shí)不如CCD，但隨著背照式CMOS的推出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了調(diào)整，光線通過透鏡后能直接到達(dá)感光層，使靈敏度有了質(zhì)的飛躍，而傳感器靈敏度正是攝像機(jī)在微弱環(huán)境光中依然能獲得清晰彩色圖像的最大保障。

二、鏡頭的影響：鏡頭最大光圈值是其中很重要的一個(gè)因素，光圈越大進(jìn)光量越大，進(jìn)而彩色效果越好，反之則效果越差，但鏡頭光圈越大，景深卻越淺，即場(chǎng)景中聚焦清晰的范圍越小，所以鏡頭光圈值也需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景調(diào)節(jié)，不能為了進(jìn)光量一味的增大光圈。與此相關(guān)的另一個(gè)因素是攝像機(jī)慢快門，當(dāng)快門越慢，進(jìn)光量越大，畫面亮度提高，但相對(duì)的運(yùn)動(dòng)物體的拖影也越嚴(yán)重，所以快門值也是把雙刃劍，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置相應(yīng)的值。

三、與ISP (Image Signal Processing圖像信號(hào)處理)的處理效果相關(guān)：降噪處理是低照度下成像很重要的一個(gè)處理過程，噪點(diǎn)會(huì)使圖像顯得不清晰，但降噪處理不當(dāng)又會(huì)造成嚴(yán)重的霧感、拖影，損失細(xì)節(jié)等現(xiàn)象。所以即使基于相同的硬件平臺(tái)，產(chǎn)品的最終效果也各有不同，這其中就體現(xiàn)了不同廠家的研發(fā)能力。

各大廠商在針對(duì)夜間超低照度成像技術(shù)的研究，一直未停止過腳步，宇視推出了星光和超星光概念的攝像機(jī)，?？低曁岢鲂枪?、星光+、黑光概念的攝像機(jī)。?？低曉缭?013年就推出了星光攝像機(jī)產(chǎn)品，開啟了夜間低照度彩色監(jiān)控效果的先河，2015年推出了新一代星光+產(chǎn)品，引入1/1.8大靶面?zhèn)鞲衅?，有效的提升了夜間低照度下的進(jìn)光亮，有效提升了成像質(zhì)量，2017年推出效果更為震撼的第三代黑光攝像機(jī)。由于傳統(tǒng)成像模式攝像機(jī)要對(duì)圖像的色彩、亮度需要同時(shí)處理，從而導(dǎo)致色彩和亮度相互串?dāng)_，互相影響，而黑光攝像機(jī)能夠模仿出人眼視網(wǎng)膜成像的原理很好地解決這一矛盾：黑光成像有如視網(wǎng)膜中的干細(xì)胞和錐細(xì)胞，能分別對(duì)色彩和亮度分別采集和處理，避免串?dāng)_現(xiàn)象發(fā)生，除了傳統(tǒng)攝像機(jī)可見光波段成像外，還能對(duì)近紅外光成像，達(dá)到紅外補(bǔ)光同時(shí)也是彩色圖像的效果，如圖6所示，圖像清晰度佳，色彩還原度佳，已經(jīng)顛覆傳統(tǒng)技術(shù)，締造夜間監(jiān)控“全彩時(shí)代”！

圖6　黑光攝像機(jī)夜間效果

總結(jié)：攝像機(jī)成像的好壞很多時(shí)候是由環(huán)境光照狀況決定的，要實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)高清成像就必須營(yíng)造一個(gè)有利于成像的環(huán)境，光照不足時(shí)為其補(bǔ)充光源，同時(shí)還要處理好攝像機(jī)與環(huán)境的關(guān)系，選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置，但很多安防監(jiān)控工程商認(rèn)為攝像機(jī)補(bǔ)光燈并不是主要設(shè)備只是輔助設(shè)備，所以預(yù)算一般較少，為了方便施工以及節(jié)約成本，在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中不太注意這些細(xì)節(jié)：大部分?jǐn)z像頭的型號(hào)及補(bǔ)光方式都一樣，沒有區(qū)分具體的場(chǎng)景和環(huán)境。隨著科技的不斷進(jìn)步，更多先進(jìn)的補(bǔ)光技術(shù)以及無需補(bǔ)光的攝像機(jī)都會(huì)出現(xiàn)，成本也會(huì)逐漸降低，我們?cè)谶x用這些設(shè)備時(shí)應(yīng)注意其優(yōu)缺點(diǎn)！