高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)在平安城市項(xiàng)目中的應(yīng)用

    不可當(dāng)ing 隨著安防行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬閉路監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步地被網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)所代替，傳統(tǒng)意義上的模擬監(jiān)控?cái)z像機(jī)、視頻電纜、切換控制矩陣和監(jiān)視器的流行組合正在被網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)、服務(wù)器的未來(lái)組合所取代。安防行業(yè)經(jīng)過(guò)了幾十年的累積和發(fā)展，現(xiàn)在乃至未來(lái)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)將是以融合了數(shù)字化、整合化、高清化和智能化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)為理念不斷發(fā)展前行。

    特別是進(jìn)入二十一世紀(jì)后，無(wú)論是在電視節(jié)目轉(zhuǎn)播還是在影視作品的制作方面，與視頻圖像有關(guān)的領(lǐng)域都在朝著高清的方向發(fā)展，安防視頻監(jiān)控行業(yè)自然也包含其中，監(jiān)控圖像的高清化已勢(shì)不可擋。

    什么是高清？簡(jiǎn)單說(shuō)，高清即為“高分辨率”。根據(jù)我國(guó)高清電視的標(biāo)準(zhǔn)，高清圖像（HD）是指圖像分辨率超過(guò)720P或1080i，同時(shí)視頻寬縱比為16:9。當(dāng)物理分辨率達(dá)到1080P時(shí)稱為全高清（Full HD），如圖3-1所示。

    相比目前業(yè)內(nèi)主流的標(biāo)清視頻格式（SD），這種清晰度更高而且寬縱比更大的視頻圖像，更適合于在眾多平安城市項(xiàng)目中的應(yīng)用。一方面當(dāng)需要對(duì)圖像細(xì)節(jié)加以甄別判斷時(shí)，在視頻圖像放大到相同倍數(shù)的情況下，分辨率越高的圖像越可以獲得清晰細(xì)膩的效果，而分辨率低的圖像可能會(huì)產(chǎn)生“馬賽克”，如圖3-2所示。高分辨率，對(duì)于在平安城市項(xiàng)目中要求看清人臉、車牌以及監(jiān)控場(chǎng)景中的各局部區(qū)域或行為細(xì)節(jié)的需求就顯得尤為重要。

圖3-2 對(duì)相同區(qū)域放大相同倍數(shù)后，標(biāo)清與高清圖像的對(duì)比

    另一方面，寬縱比更大的圖像可以有效地增加對(duì)橫向區(qū)域的監(jiān)控范圍，就平安城市項(xiàng)目而言，對(duì)路口或街道等區(qū)域的監(jiān)控區(qū)域?qū)⒋蟠髷U(kuò)寬，從而可以極大地提高攝像機(jī)的使用效率，實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用價(jià)值。

圖3-3 寬縱比更大的圖像可呈現(xiàn)更多的監(jiān)控場(chǎng)景

    四、索尼高清攝像機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及在平安城市項(xiàng)目中的應(yīng)用

    那么，索尼如何根據(jù)平安城市項(xiàng)目的新功能和新特點(diǎn)，依托各項(xiàng)技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有效解決上述應(yīng)用難題呢？

    1、索尼高品質(zhì)的感光芯片，打造出色優(yōu)異的圖像質(zhì)量

    索尼攝像機(jī)之所以具有高質(zhì)量的圖像效果和出色的色彩還原能力，與攝像機(jī)的核心——感光芯片是密不可分的。索尼從上世紀(jì)七、八十年代開(kāi)始從事感光芯片的研發(fā)，經(jīng)過(guò)了三十多年的技術(shù)積累和沉淀，截至目前已經(jīng)有上百款各種功能定位的感光芯片。行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的感光芯片主要有兩種：CCD和CMOS。一直以來(lái)，應(yīng)用于索尼模擬監(jiān)控?cái)z像機(jī)中的感光芯片以CCD為主，因?yàn)槠湎啾菴MOS，具有靈敏度高，色彩還原效果好的特點(diǎn)。

    隨著攝像機(jī)，特別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像的分辨率逐步提升，從傳統(tǒng)的標(biāo)清向高清乃至全高清逐步提升的過(guò)程中，CMOS的使用優(yōu)越性也逐步彰顯出來(lái)。如表4-1所示，傳統(tǒng)意義上的CCD與CMOS的性能優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比。

表4-1 傳統(tǒng)意義上的CCD與CMOS的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

    針對(duì)高清圖像對(duì)感光芯片的要求，在索尼高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)中應(yīng)用的是新一代的Exmor CMOS感光芯片。不同于傳統(tǒng)意義上的CMOS，Exmor CMOS是一款基于CCD像素技術(shù)開(kāi)發(fā)而來(lái)的感光芯片，使得其靈敏度與以往CMOS相比大幅提升。同時(shí)通過(guò)列集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用高速數(shù)字信號(hào)降噪技術(shù)，使得Exmor CMOS具有更高的性噪比和更快的讀出速度。

    夜晚時(shí)段是平安城市項(xiàng)目最為關(guān)注的時(shí)段之一，以低照度效果為例，筆者選取了環(huán)境照度低于1lux的測(cè)試環(huán)境，相比索尼高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)與市場(chǎng)中同系列的產(chǎn)品，效果比較結(jié)果如圖4-2所示。

圖4-2 索尼SNC-CH240（左）與市場(chǎng)同類型產(chǎn)品在相同低照度環(huán)境下的效果對(duì)比

    與此同時(shí)，基于感光元器件，各種視頻圖像處理技術(shù)也被融入到攝像機(jī)中，針對(duì)于幾大類使用環(huán)境，相關(guān)處理技術(shù)高效地還原出監(jiān)控場(chǎng)景內(nèi)的點(diǎn)滴變化：

    （1）逐行掃描和動(dòng)態(tài)幀合成技術(shù)

    平安城市項(xiàng)目中大部分?jǐn)z像機(jī)被應(yīng)用于道路卡口，路段中部等位置，用于實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)控和違法行為監(jiān)控等。就車輛監(jiān)控而言，一般城市內(nèi)機(jī)動(dòng)車的速度限制在40 km/h ~60km/h，在這種情況下，能夠清晰地辨識(shí)車牌號(hào)碼是基本要求，有些城市還要求能夠看清楚駕駛員和副駕駛員的面部、衣著等特征。

    正如上文所提到的，當(dāng)車速過(guò)快時(shí)，拍攝到的監(jiān)控圖像會(huì)有明顯的拖尾現(xiàn)象發(fā)生；在夜晚監(jiān)控時(shí)由于光照條件不好，這種拖尾的現(xiàn)象就更加明顯。此時(shí)，車牌號(hào)碼很難被清晰的捕捉到，更別提看清楚駕駛員的面部和衣著特征了！拖尾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因一方面與感光芯片的掃描方式有關(guān)，另一方面也和使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的光照條件、以及攝像機(jī)的光圈、快門等參數(shù)設(shè)置存在關(guān)聯(lián)。針對(duì)于這個(gè)難題，就攝像機(jī)本身而言，索尼網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)應(yīng)用了逐行掃描技術(shù)和動(dòng)態(tài)幀合成技術(shù)。其中，逐行掃描技術(shù)應(yīng)用在感光芯片中，力求從掃描方式上消除拖尾現(xiàn)象的發(fā)生。動(dòng)態(tài)幀合成技術(shù)主要是針對(duì)于那些隔行掃描的CCD而言，經(jīng)過(guò)對(duì)圖像處理后，有效地減輕拖尾現(xiàn)象的發(fā)生。

    （2）超寬動(dòng)態(tài)技術(shù)（View-DR）

    寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是應(yīng)用于明暗對(duì)比強(qiáng)烈的環(huán)境中，使得監(jiān)控畫面同時(shí)兼顧到亮區(qū)和暗區(qū)的一種圖像處理技術(shù)。在平安城市項(xiàng)目中，該項(xiàng)技術(shù)可以被應(yīng)用在園區(qū)、車庫(kù)的出入口等光線反差大的區(qū)域。夜間環(huán)境下清晰地看清車牌也是在寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的一種典型應(yīng)用。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)其性能可達(dá)到52dB，而索尼最新的超寬動(dòng)態(tài)技術(shù)最大可達(dá)到125dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同類產(chǎn)品。

    應(yīng)用于索尼網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控?cái)z像機(jī)中的超寬動(dòng)態(tài)技術(shù)（View-DR）是基于Exmor CMOS平臺(tái)，綜合運(yùn)用了可視性增強(qiáng)技術(shù)和快門多次曝光技術(shù)的一項(xiàng)全新處理科技，它可以在增加監(jiān)控圖像的寬動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，大幅提升其靈敏度和對(duì)比度，從而獲得同時(shí)兼顧到亮區(qū)和暗區(qū)的圖像效果，如圖4-3所示。

圖4-3 超寬動(dòng)態(tài)功能關(guān)閉和開(kāi)啟的實(shí)測(cè)對(duì)比

    可視性增強(qiáng)技術(shù)是以圖像中單個(gè)像素點(diǎn)為單位對(duì)整體圖像加以優(yōu)化，提升畫面中暗區(qū)亮度的同時(shí)，降低亮區(qū)的亮度，從而實(shí)現(xiàn)亮區(qū)和暗區(qū)的有效整合。此外，快門多次曝光技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4-4所示。常見(jiàn)的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)大多使用的是兩次快門成像的原理，而索尼的超寬動(dòng)態(tài)技術(shù)使用了四次快門曝光，包括一次標(biāo)準(zhǔn)快門和三次不同速度的高速快門，拍攝的四幅圖片將監(jiān)控場(chǎng)景中無(wú)論亮區(qū)還是暗區(qū)的每個(gè)細(xì)節(jié)都逐一采集和還原，再把每個(gè)區(qū)域從呈現(xiàn)最好的那幅圖像中提取出來(lái)，通過(guò)自然合成的方法合并為一幅高對(duì)比度的超寬動(dòng)態(tài)圖像。

圖4-4 超寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

    （3）聚光筒功能和超級(jí)動(dòng)態(tài)降噪技術(shù)

    該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于光照條件不足的監(jiān)控場(chǎng)景下。聚光筒功能自動(dòng)將原本四個(gè)像素點(diǎn)接收到的光強(qiáng)合聚成一個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)，從而使監(jiān)控畫面的亮度提升四倍；超級(jí)動(dòng)態(tài)降噪技術(shù)可以有效地區(qū)分出圖像中的靜態(tài)區(qū)域和動(dòng)態(tài)區(qū)域，對(duì)于靜態(tài)區(qū)域應(yīng)用降噪技術(shù)使其噪點(diǎn)明顯降低，對(duì)于動(dòng)態(tài)區(qū)域則應(yīng)用圖像處理的手段來(lái)平滑移動(dòng)物體的邊緣，從而獲得一幅低噪點(diǎn)、高清晰的移動(dòng)圖像。