從“光污染”也談監控攝像機設備選型之一二

[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(zhù)人們的健康和生活。在日常生活中，人們常見(jiàn)的光污染的狀況多為由鏡面建筑反光所導致的司機和行人的眩暈感，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補光燈強烈的光照，就屬于光污染其中的一種。

文/劉本軍　黃健  萬(wàn)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、宜昌市夷陵區智慧城市建設辦公室網(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(zhù)人們的健康和生活。在日常生活中，人們常見(jiàn)的光污染的狀況多為由鏡面建筑反光所導致的司機和行人的眩暈感，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補光燈強烈的光照，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，由于攝像機補光燈夜間補光，造成蚊蟲(chóng)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(lái)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(wú)法直接清掃，需要專(zhuān)門(mén)的梯子和車(chē)輛，但這不是他們的工作職責；攝像機的管理和運維部門(mén)由于經(jīng)費捉襟見(jiàn)襯無(wú)法顧及，日積月累所以問(wèn)題就暴露出來(lái)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(guò)，如圖2，攝像機補光燈常亮未熄。夜間路過(guò)此地段時(shí)，刺眼的補光燈燈光照射的行人不得不低頭或者側過(guò)身體，來(lái)躲避燈光。我在想犯罪分子路過(guò)此地段時(shí)，看著(zhù)如此耀眼的燈光，會(huì )猜想到是監控攝像機補光燈的燈光，可能會(huì )選擇繞行或者其它的方式來(lái)躲避監控，如此強烈的“光污染”早已失去安裝監控攝像機的意義！

圖2　補光燈常亮不熄

現階段平安城市建設內容已迅速擴張至平安鄉鎮、平安社區項目，監控點(diǎn)位的安裝條件和部署環(huán)境逐漸惡劣，為提高監控畫(huà)面的質(zhì)量，越來(lái)越多的點(diǎn)位選擇夜間增加補光燈為攝像機成像作補充，所以就有很多家媒體報道，所在城市卡口和道路兩邊的攝像機補光燈強光閃眼，“光污染”嚴重。雖然設備廠(chǎng)商表明補光設備每次閃光只有1/3000秒，遠低于人每次眨眼需要的0.3-0.4秒時(shí)長(cháng)，對于人眼的**實(shí)際上很小，但經(jīng)過(guò)強烈燈光“洗禮”的車(chē)主和行人也不在少數，相信有怨言的也并非個(gè)別人。其實(shí)我們可以在攝像機相關(guān)設備選型上下些功夫，來(lái)解決這些頭痛的問(wèn)題。

公安部有針對電子警察的部級標準GAT1202-2014《交通技術(shù)監控成像補光裝置通用技術(shù)規范-2014年最新標準》，這個(gè)標準的制定給智能交通補光裝置應用設立了一個(gè)技術(shù)門(mén)檻，既規范了智能交通補光裝置的應用，又方便了補光裝置生產(chǎn)廠(chǎng)家的生產(chǎn)管理，營(yíng)造一個(gè)良好的市場(chǎng)環(huán)境。標準對補光裝置的光照度設立了上限與下限，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人及擾民，而下限是為了保證補光燈的實(shí)際補光效果，該標準在光學(xué)性能這一塊規范了三種形式的補光：

一、頻閃方式補光：在閃光瞬間可持續以大功率形式輸出，大大提高攝像機曝光期內光輸出能量，并通過(guò)調節閃光長(cháng)度能夠使發(fā)光與攝像機曝光時(shí)間有機結合起來(lái)，實(shí)現夜間抓拍與錄像功能，可以認為頻閃燈一直亮著(zhù)的，但其實(shí)是一閃一閃的，人肉眼基本上感覺(jué)不到。

“標準”中4.3.1頻閃方式補光裝置：補光區域內光照度應均勻、無(wú)暗區、無(wú)明顯抖動(dòng)；在距離補光裝置20m處，基準軸上的峰值光照度應小于等于300lx，平均光照度應小于等于50lx；在制造商標稱(chēng)的補光區域內，峰值光照度應大于等于基準軸上峰值光照度的50%。

圖3　普通頻閃燈與外置光柵頻閃燈

頻閃燈啟動(dòng)后，與監控攝像機視頻同步，可以實(shí)現與視頻流中的每幀曝光都能同步，但因為亮度不夠高，補光效果并不是很好，一般用于視頻檢測或車(chē)牌補光?，F在有不少廠(chǎng)商，包括?？低?、宇視都有外置光柵的頻閃燈，通過(guò)加裝遮光罩，將光束匯聚到車(chē)牌區域，盡可能地減少補光燈對駕駛人行車(chē)安全造成的影響以及對周邊環(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、脈沖方式補光：以往早期用于智能交通監控系統的補光燈，通常是用幾臺幾千瓦的金鹵燈補光，但其功耗大，壽命短，每當開(kāi)車(chē)路過(guò)都會(huì )爆閃一下的那種，對駕駛人員會(huì )產(chǎn)生嚴重的眩目感，后來(lái)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色溫的強勁光芒，亮度比LED頻閃燈高些，可以做到單幀同步曝光，補光效果較好，一般用于抓拍單張圖片，可以比較清晰地監測到駕駛室內的人臉。

“標準”中4.3.2脈沖方式補光裝置：補光照明區域內光照度應均勻、無(wú)暗區；在距離補光裝置20m處，基準軸上的有效光照度應小于等于4000lx，點(diǎn)亮時(shí)間應小于等于2ms；在制造商標稱(chēng)的補光區域內，有效光照度應大于等于基準軸上有效光照度的50%。

氙氣爆閃燈雖然滿(mǎn)足了相機夜間補光，也減緩了對駕駛人員的眩目感，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），當車(chē)流量大的情況下單臺氙氣爆閃燈不能滿(mǎn)足補光，攝像機會(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(wàn)次，質(zhì)量較差的不到30萬(wàn)次，所以氙氣爆閃燈壽命短，車(chē)流量大的監控點(diǎn)一年內要有時(shí)要換幾次設備；（3）、氙氣爆閃燈因為自身原因不能用于錄像，所以氙氣爆閃燈不能用于在基于視頻檢測方式的電子警察或卡口項目。

為了減少“光污染”，很多廠(chǎng)商推出了多種類(lèi)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）：內置了光柵，一定程度上減少爆閃對駕駛員炫目影響；（3）、爆閃燈（紅外爆閃燈）：在白天使用優(yōu)質(zhì)偏振片，透過(guò)可見(jiàn)光，同時(shí)濾除車(chē)窗表面產(chǎn)生的偏振光，在夜間使用可見(jiàn)光截止濾片，用來(lái)濾除可見(jiàn)光，使紅外光通過(guò)。由于曝光的是紅外光，駕駛員無(wú)感知。

要注意的是紅外爆閃的紅外光因為光強沒(méi)有白光強，夜間抓拍駕駛室沒(méi)有問(wèn)題,但白天因為自然光太強，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，爆閃光對駕駛員的感知不會(huì )太明顯。但是，如果測速卡口必須用白光爆閃，因為測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、持續點(diǎn)亮方式補光：所謂持續點(diǎn)亮就是不用連接其它觸發(fā)信號，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補光燈，有時(shí)也叫LED常亮方式補光。圖2就是采用持續點(diǎn)亮方式補光，出現這種情況筆者分析是位于補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)閉的現象。

圖4

“標準”中4.3.3持續點(diǎn)亮方式補光裝置：補光照明區域內光照度應均勻、無(wú)暗區；在距離補光裝置20m處，基準軸上的光照度應小于等于50lx；在制造商標稱(chēng)的補光區域內，光照度應大于等于基準軸上光照度的50%。

LED常亮補光燈壽命比氙氣爆閃燈長(cháng)，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，攝像機感應到的光照度也不如LED頻閃燈，特別是為了拍清高速移動(dòng)的車(chē)輛，電子快門(mén)調快后，傳感器的曝光時(shí)間縮短，很難達到補光的要求，同時(shí)也會(huì )對司機產(chǎn)生剌眼的干擾。通俗的講，就是人眼感覺(jué)很亮，但是攝像機拍照出來(lái)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(lái)解決補光問(wèn)題，紅外線(xiàn)不可見(jiàn)，所以紅外LED補光燈更加隱秘，絕大部分廠(chǎng)商都提供紅外技術(shù)的攝像機，并且產(chǎn)品線(xiàn)較齊全，不過(guò)要看清各個(gè)廠(chǎng)商采用的第幾代紅外燈技術(shù)，中間有所區別。LED芯片結合封裝技術(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LED（直插式）：單個(gè)發(fā)光二極管，采用環(huán)氧樹(shù)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?xún)r(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。

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，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(wèn)題，同時(shí)減少對周邊元器件的熱“貢獻”。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LED長(cháng)了5-10倍。但因發(fā)熱量較大，光效用低，亮度不足，成本較高，容易出現聚光偏心現象（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(cháng)的優(yōu)勢，又解決了因偏心現象而不夠亮的缺點(diǎn)。整個(gè)設備做得較緊湊，紅外燈內置所以隱蔽性較好，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LED，逐漸在主流廠(chǎng)家新品中體現。

除了在紅外燈上面做文章外，很多廠(chǎng)商在攝像機設備的材質(zhì)下功夫，例如宇視公司部分攝像機紅外視窗采用特殊紅黑高透材質(zhì)，透過(guò)率達到93%，高于普通玻璃透過(guò)率（約85%），同等功耗下補光效率更高。同時(shí)該材料對可見(jiàn)光截止，可有效濾除紅外燈中的可見(jiàn)光部分，減輕紅爆現象，降低夜間昆蟲(chóng)趨光現象。?？低曅陆Y構點(diǎn)陣紅外筒機采用紅外增透面板，比普通玻璃的紅外透光率高10%左右，紅外照射距離更遠，同時(shí)無(wú)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)現真正的無(wú)紅暴補光，無(wú)紅暴效果提升30%以上。

根據公安機關(guān)權威統計的數據統計：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傘，從另外一個(gè)角度也反映出了現有監控攝像機夜視效果堪憂(yōu)的問(wèn)題，不僅降低了破案效率，同時(shí)也弱化夜間視頻監控了對犯罪分子的威懾作用。采用傳統補光燈補光技術(shù)難免會(huì )形成“光污染”，傳統的紅外補光技術(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(guò)紅外補光車(chē)牌這類(lèi)高反光的物體很容易過(guò)曝，而衣著(zhù)顏色、車(chē)身顏色、車(chē)牌等又往往都是破案的關(guān)鍵線(xiàn)索，丟失不得，所以低照度下的清晰彩色成像需求越來(lái)越多，星光級低照成像技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，并逐步成熟，越來(lái)越多的廠(chǎng)商都推出了各種款型的高清星光級攝像機。

圖5　普通與星光級攝像機低照效果

如圖5對比所示，這是在路燈未開(kāi)啟的園區內，夜晚同一時(shí)間普通相機與星光級低照相機的效果對比。普通相機在強制彩色后獲得的圖像只能隱約看到樹(shù)木、道路、建筑的輪廓，整體環(huán)境一片漆黑，已經(jīng)失去了監控的作用;而宇視這款星光級低照攝像機對于道路、建筑物、甚至遠處車(chē)輛的細節都能還原得非常清晰，而且整體畫(huà)面沒(méi)有明顯的噪點(diǎn)，低照下的彩色效果表現優(yōu)秀。

其實(shí)星光級攝像機在結構上與普通攝像機完全一致，其效果差異主要來(lái)自于底層硬件性能的提升和圖像調校算法的進(jìn)一步優(yōu)化，主要體現在以下三個(gè)方面：

一、傳感器技術(shù)的改變：目前主流的攝像機都采用CMOS傳感器，雖然在剛起步時(shí)兩種傳感器結構及工作機理的不同，CMOS在低照下的成像效果確實(shí)不如CCD，但隨著(zhù)背照式CMOS的推出，其內部結構做了調整，光線(xiàn)通過(guò)透鏡后能直接到達感光層，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實(shí)際場(chǎng)景調節，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)因素是攝像機慢快門(mén)，當快門(mén)越慢，進(jìn)光量越大，畫(huà)面亮度提高，但相對的運動(dòng)物體的拖影也越嚴重，所以快門(mén)值也是把雙刃劍，需要根據具體應用場(chǎng)景設置相應的值。

三、與ISP (Image Signal Processing圖像信號處理)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(guò)程，噪點(diǎn)會(huì )使圖像顯得不清晰，但降噪處理不當又會(huì )造成嚴重的霧感、拖影，損失細節等現象。所以即使基于相同的硬件平臺，產(chǎn)品的最終效果也各有不同，這其中就體現了不同廠(chǎng)家的研發(fā)能力。

各大廠(chǎng)商在針對夜間超低照度成像技術(shù)的研究，一直未停止過(guò)腳步，宇視推出了星光和超星光概念的攝像機，?？低曁岢鲂枪?、星光+、黑光概念的攝像機。?？低曉缭?013年就推出了星光攝像機產(chǎn)品，開(kāi)啟了夜間低照度彩色監控效果的先河，2015年推出了新一代星光+產(chǎn)品，引入1/1.8大靶面傳感器，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。由于傳統成像模式攝像機要對圖像的色彩、亮度需要同時(shí)處理，從而導致色彩和亮度相互串擾，互相影響，而黑光攝像機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)膜中的干細胞和錐細胞，能分別對色彩和亮度分別采集和處理，避免串擾現象發(fā)生，除了傳統攝像機可見(jiàn)光波段成像外，還能對近紅外光成像，達到紅外補光同時(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)顛覆傳統技術(shù)，締造夜間監控“全彩時(shí)代”！

圖6　黑光攝像機夜間效果

總結：攝像機成像的好壞很多時(shí)候是由環(huán)境光照狀況決定的，要實(shí)現攝像機高清成像就必須營(yíng)造一個(gè)有利于成像的環(huán)境，光照不足時(shí)為其補充光源，同時(shí)還要處理好攝像機與環(huán)境的關(guān)系，選擇恰當的安裝位置，但很多安防監控工程商認為攝像機補光燈并不是主要設備只是輔助設備，所以預算一般較少，為了方便施工以及節約成本，在實(shí)際設計和施工中不太注意這些細節：大部分攝像頭的型號及補光方式都一樣，沒(méi)有區分具體的場(chǎng)景和環(huán)境。隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，更多先進(jìn)的補光技術(shù)以及無(wú)需補光的攝像機都會(huì )出現，成本也會(huì )逐漸降低，我們在選用這些設備時(shí)應注意其優(yōu)缺點(diǎn)！