高灵敏度图像传感器在安防监控系统中的应用

文/郝秀杰

高灵敏度的图像传感器在监控系统的需求定义

众所周知，图像传感器的主要功能就是替代人眼，把人眼所看到的光信号转换成电信号，实现视觉的延伸。目前广泛应用的面阵图像传感器主要分为CCD和CMOS两大类，在监控系统中，摄像机采用的图像传感器一直是CCD的天下，这是为什么呢？

我们生活中无时不刻会用到图像传感器芯片，手机、电脑摄像头、监控、玩具、医疗影像设备、Pad、数码相机、Dv等数码产品，像素从几万像素的胶囊摄像机，到30万像素的电脑摄像头，到几百万像素的手机摄像头，到几千万像素的数码相机，到几亿像素的高端专用相机。更高的清晰度一直是我们的追求，随着半导体工艺的不断提高，由于成本及集成度等诸多优势，目前从几百万到几千万像素的摄像产品基本上都以CMOS为主流，价格成本也不断降低，但是时值今日，监控摄像机最高才发展到两百万像素，而且主流监控图像传感器产品依然以CCD为主，这是为什么呢？

原来，监控系统的应用场景要比普通的数码影像产品更加苛刻，考虑到暗光下的应用需求，一般的高清的图像传感器无法满足需求，日本的CCD产品在这一领域（高灵敏度/低照度）一直保持技术指标领先，所以CCD在这一领域保持了长期的优势。

随着技术的迅速发展，摄像机的灵敏度越来越高，但是依然不能满足监控的需求，绝大多数还需要补光才能实现24小时监控。

那么，一般民用的摄像机的灵敏度还需要多高才能满足实际应用需求呢？个人认为，要达到人眼的敏感度水平。

这是由于通常的犯罪分子在作案时也需要肉眼视觉才能作案，如果是在完全无光的场景，正常走动恐怕都要要借助头盔夜视仪的帮助，这显然不是治安监控所要求的场景。

那么肉眼视觉的极限是多少呢？一般来讲，人眼在经过一段时间的暗适应以后，可以在0.1Lux左右的照度情况下正常活动（因人而异）。而正常情况下，城市及道路的照明或城市辉光可以满足这一照度需求，所以目前大部分人们活动的夜间区域可以不用打手电筒。因此，对于公共安全的监控系统的摄像机的照度要达到这一要求即可满足使用需求。

目前市面上的摄像机标的照度比0.1Lux好的有很多，有的甚至可以标到0.00002Lux，但是仔细研究才会发现，这些不过是通过帧累计增加曝光时间所达到的，所获得的图像不能连续显示，并没有实际的应用价值。于是迫不得已，采取了红外补光这一手段。

高灵敏度图像传感器的应用价值

为了能够实现24小时不间断的监控，由于目前的监控用图像传感器的灵敏度依然不够好，所以红外摄像机开始备受推崇。

因为解决了“看得到”的问题，红外摄像机一夜之间遍地开花，不管是标清的还是百万的，红外灯几乎成为现代监控系统的标配。其实，红外补光这一手段存在着很多弊端，相对客观冷静的欧洲市场一直抱有怀疑态度，国内外真正的高端的治安监控也不会大量采用。这是因外红外补光所得到的黑白反差图像使得人脸识别变得更加困难，反而不利于破案举证。

此外，红外灯的光衰、寿命、照射距离、均匀度、丁达尔现象等诸多问题也是难以解决。为了增加照射距离，不断地加大功率，甚至使用大功率的激光管尤其危险！由于人眼对近红外波长并不敏感，所以瞳孔不会收缩，因此，诸多大功率的红外灯成为我们夜间出行眼睛的“隐形杀手”。

除此之外，也许大家没有考虑到，经过几年使用后报废的红外Led由于封装的树脂材料在自然环境中很难降解所以产生的污染会很大。

几年前在德国，我曾感到很奇怪，为何这个工业化如此发达的国家居然交通信号灯，铁路信号等还采用灯泡，而在当时国内的寿命长效率高的Led指示灯已经非常普及，当地人的回答是他们考虑到环保的问题所以并不推荐大量使用。

对于公共治安监控，欧洲大多采用高灵敏度的摄像机的解决方案，一方面有利于得到真实的图像信息，以利于破案举证，另一方面，在系统的使用寿命、稳定性、环保等诸多方面有长远的使用价值。

高灵敏度图像传感器的应用领域及现实意义

由消费类电子的图像传感器应用可以看出，百万像素的图像传感器技术门槛并不高，大量使用在手机、Pad、电脑等数码产品中的200-500万的模组也只要十几元人民币，可是能实现高灵敏度的图像传感器由于芯片成本相对较高，所以用量不如普通的大。传统的高灵敏度CCD图像传感器主要应用在军事，边防海防，道路监控，森林防火等高端应用领域。

如果可以将图像传感器灵敏度在可见光及近红外的范围做的更高，并能够相对控制较低的成本，可以在安防监控、汽车夜视、警用夜视、专用设备等很多领域广泛应用并产生巨大的经济效益及社会效益。

总结起来如下：1、在需要重要的监控场景，隐蔽安装的场景，或者不允许有红暴的场景，如铁路监控。可以不使用850Nm红外补光而使用940Nm的无红爆的小功率补光。2、在城市治安监控可以免除或减少红外补光，减小监控摄像机的功耗和体积，提高录像效果的真实性，延长系统寿命及稳定性，减少光污染及降解污染。3、在消费类监控产品如婴儿监控摄像机，大幅减少红外补光或免除红外补光这一手段，为婴儿的视觉健康助力。4、实现低成本、高可靠性的汽车夜视仪，行车记录仪等产品，为交通安全助力。5、实现体积小、重量轻、便携高效的警用夜视监视设备。6、实现野外夜间监控更大观测范围，打猎摄像机、钓鱼摄像机应用。

中国的高灵敏度图像传感器的市场前景展望

在目前的监控市场格局下，日本的CCD产品在高灵敏度上还是据有一定的优势，少数Ip摄像机厂家宣传的高灵敏度百万像素CMOS摄相机大多是在帧率，曝光时间，或图像处理算法上做了些文章，其结果类似于帧累计，应用的场景十分有限，真正在本质上提高图像传感器的灵敏度和信噪比以及动态范围等硬指标才是解决摄像机“看得到”的根本办法。

免除或减少红外补光的使用，减少功耗、体积、污染，提高系统产品的可靠性，真实还原低照度场景下的图像色彩，细节等诸多的应用优势必定会给高灵敏度图像传感器芯片提供无限的市场前景。

由于网络信息安全，国家安全等综合因素，中国需要自己整套的自主核心技术的高端安防监控芯片产品，完全自主知识产权高灵敏度的图像传感器芯片必将大显身手。