超低照度星光級攝像機是怎么做到在黑夜獲得如白晝的彩色畫面的

 “星光”、“黑光”、“AI超微光”、“極光”，在安防行業(yè)這些概念似乎比“低照度攝像機”本身要火的多。

無論營銷名稱是什么，歸根到底，它們都是用不同的方法使攝像機能在夜間拍攝到更像白晝一般的圖像。

低照度攝像機能夠補齊安防監(jiān)控產(chǎn)業(yè)“夜盲眼”的致命短板，成為安防圈最熱的技術(shù)突破點之一。據(jù)統(tǒng)計接近70%的犯罪都是在夜間發(fā)生，道路、倉庫、野外等眾多場所如果在夜間無法被監(jiān)控，城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人身及財務(wù)安全也只會處于一片陰影之中。補光拍攝的方法早已有之，但是“光污染”、“能源浪費”、“盲區(qū)多”等問題一直是夜間監(jiān)控的痛點。

自2014年起，新誕生的“星光”一詞在安防領(lǐng)域幾乎成為“低照度”的代名詞，2016年至今，低照度攝像機迎來高速發(fā)展階段，說不上狂風(fēng)大浪，卻年年以“新技術(shù)”、“亮點技術(shù)”的姿態(tài)出現(xiàn)在安博會展臺最顯眼的位置。

在?？低暋⒋笕A、宇視、天地偉業(yè)、科達(dá)等安防企業(yè)的你追我趕之下，低照度監(jiān)控攝像機的市場需求已然被引爆。眾多安防企業(yè)、通訊玩家紛紛跟進(jìn)，它們不僅瓜分眾多碎片化的市場，還借著人工智能的東風(fēng)，亮出具有特異性的方案。

“星光”、“黑光”等低照度攝像技術(shù)究竟有什么神奇之處？在低照度技術(shù)穩(wěn)打穩(wěn)扎發(fā)展的五年里，海大宇等安防巨頭和眾多安防翹楚怎樣將這片市場攪熱 ？2019年，和人工智能緊密結(jié)合的低照度相機又為安防產(chǎn)業(yè)帶來了什么？

一、從“星光”到眾多變種技術(shù)，補齊安防之眼的短板

很長時間里，“安防之眼”攝像頭都存在“夜盲眼”的致命短板。據(jù)統(tǒng)計，接近70%的犯罪都是在夜間發(fā)生，從晚上7點到次日凌晨5點是犯罪事件的高發(fā)期，攝像機夜間成像質(zhì)量已然成為安防大數(shù)據(jù)發(fā)展的短板。

星光級攝像機應(yīng)運而生。通常意義下，星光級攝像機通常指在近乎只有星光的微光環(huán)境下，在沒有任何輔助光源的情況下，仍可以顯示清晰的彩色圖像的攝像機。所謂的星光級照度約在0．01Lux至0．001Lux之間，而晴朗的有月光的晚上的光照度約為0.1至0.01Lux。

而類似的，“超星光”、“黑光”則是將照度再次降低。一般來說，當(dāng)照度在0．001Lux以下的時候為“超星光”，當(dāng)照度為0Lux時則為“黑光”。

▲低照攝象機與普通攝像機的效果對比

早在1998年就出現(xiàn)了低照攝像機的概念，當(dāng)時領(lǐng)先的是三星、三洋等外資品牌。

2014年隨著感光元器件等硬件的發(fā)展，“星光級”安防監(jiān)控攝像產(chǎn)品在市面上出現(xiàn)，而此時的主角已變?yōu)楹？低?、大華、宇視、天地偉業(yè)等本土企業(yè)，它們先后發(fā)布了自己的200萬像素星光級攝像機產(chǎn)品，攝像機的“夜盲眼”康復(fù)之路正式開啟。

簡單來說，星光級攝像機的“夜視”主要通過鏡頭、光圈、圖片傳感器和補光燈等多個硬件維度實現(xiàn)優(yōu)化。鏡頭和光圈分別限制了透光和進(jìn)光能力，而圖像傳感器通過感光能力，補光燈通過補光能力來加持?jǐn)z像機低照度能力。

▲攝像頭中影響其“夜視能力”的硬件維度（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

雖然攝像機“夜視能力”需要從這些維度來進(jìn)行優(yōu)化，但是這些硬件并非像堆積木一樣堆砌能力最強的就好，因此不同安防企業(yè)的技術(shù)方案及產(chǎn)品線也不一樣。比如，鏡頭在選擇時并不是光圈越大越好，而是需要在進(jìn)光量和景深上獲得一個平衡。除此之外，采用多大靶面的傳感器、是否搭配紅外及白光來補光、選擇幾個鏡頭和傳感器等光路設(shè)計問題，原始數(shù)據(jù)測試和ISP效果調(diào)試，都是各個廠家不同架構(gòu)需要考慮的因素，也直接影響星光攝像效果。

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人們也開始使用機器學(xué)習(xí)算法等軟件方法來提高攝像機的夜視能力。在市面上盛行的“AI超微光”、“超星光”、“極光”的營銷概念不同，技術(shù)原理上也有一些差異，但總體來說都是在“星光級攝像機”基礎(chǔ)上不斷的優(yōu)化。

目前，星光級攝像機等低照度攝像機已經(jīng)在道路、倉庫、野外、養(yǎng)殖場、小區(qū)、工廠等光線較暗或無光照的場景中，在需要高畫面清晰度的場景被廣泛應(yīng)用。比如，在公安領(lǐng)域，過去的攝像機只能拍出黑白的畫面，但星光攝像機乃至更高級別的“黑光”、“極光”攝像機可以通過彩色的夜視效果幫民警判別“嫌疑人穿什么顏色衣服”等問題，從而大大降低破案難度。

二、2016-2019：照度猛降、概念比拼、AI競速

從2016年到2019年，隨著背照式傳感器等元器件的更新，星光級攝像技術(shù)飛速發(fā)展，以海大宇為首的各廠家開始推出“超星光”、“黑光”、“極光”等變種革新技術(shù)。

短短幾年里，?？怠⒋笕A、宇視、科達(dá)、天地偉業(yè)等安防企業(yè)不約而同地從起先的追求低照度，到為了智能識別應(yīng)用提高攝像頭清晰度，再到利用AI來提升低照度攝像機的清晰度和色彩畫質(zhì)，實際上經(jīng)歷了在市場應(yīng)用的需求催促下從“追求畫質(zhì)”到“追求智能”的演變。

1、?？低暎?ldquo;星光”之后，“黑光”時代來了

2014年，?？低暣蝽懓卜罃z像機的“夜視”第一槍。?？低暯舆B推出星光級300萬高幀率槍型網(wǎng)絡(luò)攝像及星光級200萬像素紅外網(wǎng)絡(luò)高清智能球機。2015年星光級攝像技術(shù)被應(yīng)用到了公安領(lǐng)域的鷹眼系列全景攝像機。另外，?？低曆邪l(fā)出了“星光+”攝像機，更關(guān)注運動物體的檢測，將信噪比提升30%。

2016年，?？低暤男枪鈹z像機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國足比賽安保工作、博物館監(jiān)控、直播錢塘江大潮等場景，其4K星光級網(wǎng)絡(luò)攝像機在2016年安博會上獲得創(chuàng)新產(chǎn)品特等獎。

正當(dāng)“星光”市場一片熱潮時，?？低?016年則默默轉(zhuǎn)向“黑光攝像機”的研發(fā)和產(chǎn)品化。在當(dāng)年安博會?？低曊古_上，有一個別出心裁的小暗房，里面就放置了海康威視的“黑光”系列攝像機，它能夠“看到”照度為0Lux環(huán)境下的物體的彩色畫面。

 

 

 

 

▲在同樣的照度環(huán)境下，星光攝像機與黑光攝像機的拍攝效果對比

2017年3月，海康威視全彩黑光攝像機如約而至。它在技術(shù)上有重大的突破，采用視網(wǎng)膜成像技術(shù)的雙sensor構(gòu)架，能模仿出人眼視網(wǎng)膜成像，解決了色彩和亮度相互間干擾的矛盾。同時，SpecEX雙光融合，能得到比星光攝像機噪點減少的畫面。

時至今日，海康威視的相關(guān)產(chǎn)品線已經(jīng)衍生出“黑光防爆攝像機”等垂直領(lǐng)域的產(chǎn)品。同時，黑光攝像機已經(jīng)在應(yīng)戰(zhàn)臺風(fēng)“利奇馬”防汛、24小時呈現(xiàn)河道情況、監(jiān)測野生動物園等場景中被廣泛應(yīng)用。

海康威視低照攝像產(chǎn)品線專家對智東西說，星光攝像機雖然有過一段輝煌的歷史，但是隨著黑光攝像機的出現(xiàn)，星光攝像機將退出時代的舞臺。隨著黑光等低照度攝像技術(shù)的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，市場應(yīng)用將不斷走向常態(tài)化、規(guī)?；?，經(jīng)濟型的產(chǎn)品也將使用到黑光技術(shù)，它會逐漸走向低端市場，并被推廣普及。

 

而后，海康威視低照攝像機的路線逐漸聚焦在黑光攝像機上，星光技術(shù)則主要作為智能化產(chǎn)品的輔助加持。比如其“AI好搭檔”400萬像素的星光攝像機、具有內(nèi)部拾音功能的星光攝像機等等。

2、宇視大華：一邊緊隨，一邊推陳

作為安防王牌企業(yè)之一，宇視科技也在2014年初推出星光級攝像機。2016年底，宇視推出的高清星光紅外半球網(wǎng)絡(luò)攝像機不僅能夠在極低照度（0.005lux）下實現(xiàn)噪點較少的彩色成像，還包括了越界檢測、區(qū)域入侵、進(jìn)入?yún)^(qū)域、離開區(qū)域、徘徊檢測、人臉檢測、客流統(tǒng)計等智慧化功能。

而面對當(dāng)下低照環(huán)境下人臉抓拍困難的問題，宇視直接叫板?？?。宇視認(rèn)為一類廠商選擇的“雙Sensor”架構(gòu)雖然在將兩路圖像合二為一后實現(xiàn)了色彩和亮度兩不干擾，提升了成像效果，卻存在技術(shù)缺陷。缺陷主要在于合成圖像偏色，無法適用于完全無光的場所，成本較高等。

對此，宇視給出的解法是自研的“Extra-ISP”、“U-FACE”技術(shù)。“Extra-ISP”技術(shù)是在新一代芯片的ISP的基礎(chǔ)上，增加了時域降噪算法和多維度銳度提升算法，以降低低照環(huán)境下運動圖像的拖影，讓人臉等運動物體的細(xì)節(jié)可以充分展現(xiàn)出來。時域降噪是對多幀圖像進(jìn)行分析運算來進(jìn)行降噪，運動估計的設(shè)置是為了防止劇烈移動的主體出現(xiàn)運動殘留的現(xiàn)象。

“U-FACE”技術(shù)是以宇視新一代深度智能核心芯片為支撐，加持新的人臉曝光和人臉小圖增強雙重算法，針對低照環(huán)境下的人臉進(jìn)行優(yōu)化，提升臉的亮度、通透性和均衡性。在宇視開創(chuàng)的微星光攝像機等產(chǎn)品中，就應(yīng)用了這種新的ISP技術(shù)。

除此之外，宇視從低照攝像機的存儲上尋求特異性。據(jù)了解，其33倍星光球機和200萬超星光攝像機采用自研的U-Code超級編碼技術(shù)，200萬像素相機只需要1M碼流，是H.264的1/4，是H.265的1/2，在不降畫質(zhì)的情況下節(jié)省存儲空間。

大華的推新節(jié)奏緊跟?？道洗蟾绲牟椒?。2014年9月大華推出星光級超低照度200萬像素高清攝像機。在次年推出的6寸高清200萬像素星光紅外網(wǎng)絡(luò)高速智能球機，據(jù)稱，它集成全景云臺、跟蹤定位、智能分析等技術(shù)，萌芽的“智慧化”已經(jīng)能應(yīng)用在平安城市建設(shè)中。

2016年，大華推出了具有差異性的4K極光攝像機，幾乎同步于?？档暮诠鈹z像機。所謂“極光”，據(jù)稱是指相機能達(dá)到比星光更加極致的夜視效果。

大華4K極光攝像機采用索尼4/3英寸大靶面CMOS傳感器，大靶面與背照式技術(shù)融合，加上ISP核心處理算法的配合，最低照度達(dá)到了彩色0.0005Lux，黑白0.0001Lux。

 

大華的4K極光人臉識別網(wǎng)絡(luò)攝像機在當(dāng)年安博會獲得“金鼎獎”。該機還展現(xiàn)了基于大華深度學(xué)習(xí)技術(shù)相關(guān)算法的人臉識別與人臉屬性提取功能，支持8種屬性和5種表情的結(jié)構(gòu)化信息提取，最大可以支持10000張人臉庫的比對。

而后兩年，“AI化”成為之后幾年的重要趨勢。基于人工智能技的“慧”系列AI智慧星光級監(jiān)控攝像機，采用雙傳感器的大華9寸高清極光網(wǎng)絡(luò)高速智能球機，適合小區(qū)、醫(yī)院、銀行等商用場景的睿智系列星光級人臉攝像機等等，從中都能看到人工智能的影子。

3、百花齊放，新技術(shù)與“鬼影”并存

元器件的進(jìn)步為頭部玩家低照度攝像機的研發(fā)預(yù)備了條件，頭部玩家的挺近也促進(jìn)了低照度攝像機產(chǎn)業(yè)鏈的整合，以鳳凰光學(xué)、宇瞳、索尼、APTINA、OV、舜宇光學(xué)等為首的元器件商在這個過程中大放異彩。在元器件技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和低照度攝像機產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步整合的條件下，許多安防企業(yè)、通訊企業(yè)及AI企業(yè)也紛紛推出自己的低照度攝像機方案。

眾多安防中堅力量不僅限于追風(fēng)，還積極尋求自己的特異性。如，科達(dá)在2019安博會上發(fā)布了AI超微光攝像機。他們認(rèn)為市面上主流的強化補光、硬件堆疊、復(fù)雜ISP處理不同程度的存在光污染、拖影等問題，因此采取自研的深度學(xué)習(xí)圖像增強算法，通過學(xué)習(xí)大量場景抓拍的照片直接對傳感器輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像恢復(fù)。

基于AI超微光技術(shù)，科達(dá)推出了三大系列攝像機新品。包括AI超微光車輛卡口、AI超微光車輛電警和AI超微光人員卡口?？七_(dá)科技公司的低照度攝像機專家告訴我們，AI超微光低照攝像機不同于星光攝像機的技術(shù)路徑，和常見的星光攝像機的應(yīng)用場景也略有不同，AI超微光攝像機更適用于交通領(lǐng)域而不是監(jiān)控卡扣等公安場景。

一些安防企業(yè)不僅積極建立自己的低照度技術(shù)護(hù)城河，還致力于將星光與其它技術(shù)融合起來，開發(fā)“下一代星光”。 比如天地偉業(yè)面對單鏡頭、單Sensor達(dá)到瓶頸去做“雙光路設(shè)計”，以此是物體輪廓更清楚、畫面更清晰；面對低照拖尾、丟幀問題，天地偉業(yè)利用自研的TVP技術(shù)的特殊動作閾值設(shè)定、聯(lián)動增益及時域空域雙邊濾波降噪來優(yōu)化畫質(zhì)；天地偉業(yè)也被認(rèn)為是首提“超星光”技術(shù)的玩家。

除此之外，星光+人車識別、星光+語音提示、星光+警戒、星光+自動調(diào)光等方案也大大提升了低照攝像機的應(yīng)對復(fù)雜場景的能力。

2019年，低照攝象機“百花齊放”，安博會上可見一斑，不僅方案商齊頭并進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈上游的鳳凰光學(xué)、宇瞳等元器件商也以1號館的位置、超大展區(qū)和眾多低照元器件大放異彩。

當(dāng)然，潮流之下也時泥沙俱下，一些低質(zhì)量的黑光、星光攝像機也進(jìn)入市場。比如業(yè)主發(fā)出的某品牌的夜視攝像機拍出“鬼影”。這也折射出低照攝像機存在技術(shù)維度眾多難以標(biāo)準(zhǔn)化、成本較高、市場混雜等問題。

▲某品牌的夜視攝像機拍出“鬼影”

三、復(fù)雜場景提出新要求，AI技術(shù)帶來新動力

五年前，讓攝像頭在伸手不見五指的環(huán)境中“看見”彩色的畫面還是不敢想象的事，現(xiàn)在不僅能看見，還能看清，甚至在看清之后還能進(jìn)行識別，并且還能通過報警、語音提示等方式讓攝像頭主動進(jìn)行任務(wù)處理。由此看來，作為一個市場具有一定門檻的產(chǎn)品方向，低照攝像機近年來發(fā)展是很快的。雖然“星光”、“黑光”等概念連年出現(xiàn)在安博會上，但每一年都有新的內(nèi)涵和應(yīng)用。

海康威視負(fù)責(zé)低照度攝像機產(chǎn)品的專家告訴智東西記者，未來隨著黑光等低照度攝像技術(shù)的不斷改進(jìn)和優(yōu)化，市場應(yīng)用將不斷走向成熟，走向常態(tài)化、規(guī)模化的應(yīng)用，經(jīng)濟型的產(chǎn)品也將使用到黑光技術(shù)，從高端產(chǎn)品走向低端、普及。

天地偉業(yè)公司產(chǎn)品總經(jīng)理程岳寅認(rèn)為，星光級技術(shù)因為其先天優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于智慧城市、雪亮工程、政府機關(guān)、監(jiān)獄監(jiān)所、邊防建設(shè)、園區(qū)治安等領(lǐng)域，此外星光與其他技術(shù)相融合來解決更多系統(tǒng)的問題，這會是一個趨勢。

科達(dá)科技公司的智慧城市事業(yè)部產(chǎn)品經(jīng)理吳益達(dá)告訴我們，低照度技術(shù)產(chǎn)品并不是大家想的多么偏門，而是能切實解決很多普遍問題。比如從交警領(lǐng)域來講，它能夠解決“光污染擾民”、“道路環(huán)境忽明忽暗晃司機眼睛”等問題，因此實用性很強。目前相關(guān)政策也為低照度攝像機帶來了很多機會，比如上海已經(jīng)在智慧城市落地中推進(jìn)低照技術(shù)的應(yīng)用，相信其它城市會很快地跟進(jìn)。

目前，星光攝像機的落地情況喜憂參半。一方面星光攝像機已經(jīng)在道路、工廠、魚塘等眾多光線弱且需要高清晰度畫面的場所廣泛應(yīng)用，另一方面，面對復(fù)雜的應(yīng)用場景仍然存在一些列實際問題。比如在道路上，“車輛大燈”就是低照攝像機的落地的一個難點，過快過強的光進(jìn)入會為攝像頭看清環(huán)境、車牌帶來挑戰(zhàn)。

除此之外，雖然目前的黑光攝像機、4K星光級攝像機的像素已經(jīng)能支持車牌識別等智能化功能，但是在已有的硬件配置下分辨率仍然具有很多提升空間，對此廠家都在通過增加傳感器、更新ISP技術(shù)、開發(fā)新的補光燈等技術(shù)來優(yōu)化成像效果。另外，受限于現(xiàn)在的硬件技術(shù)水平，真正的星光級、黑光級攝像機的成本仍然比較高，加持智能化功能的設(shè)備就更加耗費客戶的成本花費了。盡管在智慧交通、平安城市等大場景下，比如在取消高速路口人工收費站的推進(jìn)中，很多場景都與低照攝像機十分匹配，但是客戶仍會在考慮實際成本的情況下選擇更具有性價比的方案。

安防AI化趨勢為低照度攝像機的發(fā)展帶來了新的動力，也帶來了玩家新的對弈。從今年科達(dá)攜“AI超微光”產(chǎn)品、商湯搬來“人臉識別小黑屋”在安博會中“踢館”來看，AI技術(shù)也為安防產(chǎn)業(yè)帶來了一股清新的氣象。在這種氣象下，非巨頭玩家們越來越有底氣走出和巨頭不一樣的技術(shù)路徑，進(jìn)而形成自己的智能化低照攝像技術(shù)護(hù)城河。

在“星光+智能識別”、“星光+智能調(diào)光”、“星光+警戒”等下一代融合性的技術(shù)應(yīng)用的機會來臨之際，雖然安防巨頭憑借產(chǎn)業(yè)生態(tài)和渠道積累優(yōu)勢仍然占據(jù)優(yōu)勢，但其他安防企業(yè)也有望在安防碎片化市場中分得一大杯羹，至于真實的應(yīng)用效果如何，我們拭目以待。

天地偉業(yè)行業(yè)總經(jīng)理王寧說，隨著AI智能的發(fā)展，低照度攝像機的應(yīng)用也將迎來巨大的增長。一方面，AI智能化識別等軟件應(yīng)用需要“硬主軟輔”的低照度攝像機技術(shù)來支撐，另一方面，AI軟件技術(shù)也將促進(jìn)低照度攝像機再次探測自身的極限性能。除此之外，王寧認(rèn)為，發(fā)力碼率壓制和具體應(yīng)用場景的系統(tǒng)方案也是低照度攝像機發(fā)展的兩大趨勢。

結(jié)語：低照度攝像技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)技術(shù)博弈點

近年來，“星光級”低照度攝像機已經(jīng)從概念變?yōu)楦鲝S商的標(biāo)配產(chǎn)品，而黑光、極光等更加極致的低照度技術(shù)成為各廠商的關(guān)注焦點。從追求更低的照度環(huán)境，到追求更好看的畫面，再到追求極致的清晰度和色彩還原度來助力AI智能識別的應(yīng)用，低照度攝像機的發(fā)展一路高歌猛進(jìn)。

在低照度監(jiān)控攝像機領(lǐng)域，傳統(tǒng)安防企業(yè)具有先發(fā)優(yōu)勢。低照度監(jiān)控技術(shù)涉及的技術(shù)維度較多，具有一定的行業(yè)門檻，早發(fā)力且具有充足產(chǎn)業(yè)鏈資源和渠道的傳統(tǒng)安防玩家引領(lǐng)著潮流。隨著AI在安防行業(yè)的應(yīng)用日益加深，非巨頭安防企業(yè)借助AI算法技術(shù)來開辟新的低照度監(jiān)控相機技術(shù)路徑，也能亮出差異化的打法，從而瓜分碎片化的安防市場。

不斷發(fā)展的低照度監(jiān)控攝像機技術(shù)使得安防行業(yè)的場景邊界不斷延伸，8小時攝像機變?yōu)?ldquo;24”小時工作制，許多從前無法被較好地監(jiān)控的荒郊野外、工廠魚塘、深巷拐角不再是法外之地，令人頭疼的“光污染”“能源浪費”等問題也迎刃而解。盡管，在技術(shù)的落地應(yīng)用中還存在眾多復(fù)雜的場景需求需要考慮，但這種碎片化的市場局勢也為重多不同技術(shù)路線的玩家?guī)聿煌臋C會。

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