低照度攝像和熱成像技術(shù)

1、低照度攝像與熱成像技術(shù)！ 攝像機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)是最低照度， 人們關(guān)注最低照度是因?yàn)槿藗儗σ雇砗?暗等環(huán)境下的監(jiān)控需求， 安防是不分白晝的， 因此夜晚成像技術(shù)是非常有用并有 廣泛需求和前景的技術(shù)。 照度為一亮度單位，顧名思義，是指攝像機(jī)在攝取影像時(shí)，對周圍環(huán)境照明 亮度的需求，1LUX大約等于1燭光在1米距離的照度，我們在攝像機(jī)參數(shù)規(guī)格 中常見的最低照度，表示該攝像機(jī)只需在所標(biāo)示的 LUX 數(shù)值下，即能獲取清晰 的影像畫面，此數(shù)值越小越好，說明 CCD 的靈敏度越高。同樣條件下，黑白攝 像機(jī)所需的照度遠(yuǎn)比尚須處理色彩濃度的彩色攝像機(jī)要低 10 倍。 行業(yè)內(nèi)人士強(qiáng)調(diào)，照度能低到多少，不僅要看鏡頭的

2、光圈大?。?F 值），更 要看是在什麼條件限制下才能出現(xiàn)所標(biāo)示的 LUX值，以光圈大?。‵值）而言， 光圈愈大則其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。另外電子靈敏度，單一畫面 累積幀數(shù)，紅外線是ON還是OFF等均對最低照度有影響。 低照度攝像機(jī) 低照度攝像主要技術(shù)：日夜轉(zhuǎn)換型、低速快門和超感度攝像機(jī)。 日夜轉(zhuǎn)換型： 攝像是利用黑白影像對紅外線感度較高的特點(diǎn)，在一定的光源條件，利用線 路切換的方式將影像由彩色轉(zhuǎn)為黑白，以便于搭配紅外線。而白天彩色/晚上黑 白的攝像機(jī)因受限于 CCD 感度,本身并無法改變 ,只是利用線路切換及搭配紅外 光的方式將功能提升 ,不能算是低照度攝像機(jī)。 低速快門： 又稱為

3、（畫面）累積型攝像機(jī)：其原理是利用電腦記憶體的技術(shù)，利用該技 術(shù)，可以實(shí)現(xiàn) 0.0008 星光級的情況下應(yīng)用。此技術(shù)的原理可以看出，他還是離 不開“光源”，必須要求環(huán)境必須有光的存在，即使它很微弱，因此如果在完全黑 暗的條件下，它無效。并且，圖象的成像是以犧牲圖象的連續(xù)性為代價(jià)的（注意 其原理是延長曝光時(shí)間使 CCD 充分感光，有一個(gè)光的積累過程）。此類型低照 度攝像機(jī)適用于較靜態(tài)場所的監(jiān)視。 超感度攝像機(jī)： 超感度攝像機(jī)（ EXVIEW/HAD） ，又稱 24 小時(shí)攝像機(jī)，其彩色照度可達(dá) 0.05LUX，黑白則可達(dá)0.003-0.001LUX （亦可搭配紅外線以達(dá) OLUX）不僅能清 晰的辯

4、識(shí)影像，更是實(shí)時(shí)連續(xù)的畫面。此類型攝像機(jī)主要是采用 SONY 元件廠 所推出的EXVIEW/HAD/CCD （超感CCD）,其運(yùn)用專利技術(shù)將 CCD每一畫素 的開口率提高，進(jìn)而達(dá)到更低照度的要求，由于該 CCD 的制造成本仍高，相對 的成品制造商要研發(fā)此類攝像機(jī)的技術(shù)門檻也較高。 EXVIEW HAD CCD+畫面累 積技術(shù)，并且基本消除了拖影現(xiàn)象。 主動(dòng)紅外技術(shù) 利用CCD攝像機(jī)（黑白模式），可以感應(yīng)紅外光譜原理，給CCD攝像機(jī)配 置紅外照明光源（紅外燈），利用物體反射紅外光源的紅外光達(dá)到成像的目的， 缺點(diǎn)使紅外照明距離短，靈敏度不高、并且容易紅暴。 熱成像技術(shù) 紅外線輻射是自然界存在的一種

5、最為廣泛的電磁波輻射， 它在電磁波連續(xù)頻 譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。 這種紅外線輻射是基于任何物 體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)， 并不停地輻射出熱紅 外能量。分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大 ; 反之，輻射的能量愈小。 熱成像技術(shù)原理：通過非接觸探測，將物體輻射產(chǎn)生的紅外能量（熱量）轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)，經(jīng)過處理形成熱輻射圖象。凡是溫度高于絕對溫度零度（零下 270 攝氏度）的物體均向外輻射紅外能量，溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)。因此，熱成像 技術(shù)不同與低照度技術(shù)，即使在絕對黑暗（沒有可見光）的環(huán)境下也可以成像； 也不同語主動(dòng)紅外技術(shù)，它不需要額外的紅外設(shè)備。

6、 熱成像技術(shù) VS LowLightTM 低照技術(shù) LowLightTM 低照技術(shù)采用高感光 CCD （如Exview HAD CCD等）、DSS數(shù) 字快慢門調(diào)節(jié)來提高攝像機(jī)的低照性能。曝光時(shí)間的增長使 CCD 更充沛感光， 從而增強(qiáng)圖像亮度及清晰度。 LowLightTM 低照技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡單 （僅攝像機(jī)即可）、價(jià)格大眾化 （技術(shù)已普及），缺點(diǎn)則在于圖像亮度以犧牲圖像 連續(xù)性為代價(jià)，而最終 LowLightTM 低照技術(shù)仍需依靠照明光源并局限于可見光 光譜內(nèi)。當(dāng)環(huán)境呈黑暗、煙霧或遮擋時(shí)，低照技術(shù)顯然無所適從。 熱成像技術(shù)由于依靠紅外輻射成像不依賴可見光，無論環(huán)境光照強(qiáng)或弱、能 見度

7、（遮擋）高或低均不影響有效成像。因此，熱成像技術(shù)完全解決了必須依靠 “可見光”的技術(shù)瓶頸，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展至更大范圍。 熱成像技術(shù) V.S 主紅外技術(shù) 不少用戶對主紅外技術(shù)與熱成像技術(shù)的理解常出現(xiàn)混淆。事實(shí)上，兩者技術(shù) 雖然都借由紅外光譜成像，但是其成像原理卻大不相同。 主紅外技術(shù)利用CCD攝像機(jī)（黑白模式下）可感應(yīng)近紅外光譜（0.75-1.0卩 m）的原理，在CCD攝像機(jī)附近架設(shè)輔助紅外照明設(shè)備（如紅外燈等），利用物 體反射紅外源的紅外光達(dá)到成像目的。 紅外熱成像技術(shù)是感應(yīng)中、遠(yuǎn)紅外光譜（3.08.0卩m、8.014.0卩m）,利用 （非制冷）氧化礬微測輻射熱儀感應(yīng)物體所輻射散發(fā)的紅

8、外能量來成像。 主動(dòng)紅外技術(shù)至今未得到廣泛應(yīng)用， 問題在于紅外輔助照明設(shè)備的技術(shù)弊端 重重。照明范圍小、靈敏度低、耗能大；體積笨重、使用壽命短，最致命的弱點(diǎn) 是紅外輔助照明設(shè)備所散發(fā)的紅外光線極易被探測到，從而自我暴露。 熱成像技術(shù)由于感應(yīng)來自物體輻射散發(fā)的紅外能量， 完全拋棄問題重重的紅 外輔助照明設(shè)備，從根本上杜絕以上弊病及弱點(diǎn)。 一體化熱成像定位系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)及意義 微測輻射熱儀 微測輻射熱儀是一體化熱成像定位系統(tǒng)的攝像機(jī)組件， 通常有制冷與非制冷 兩種類型。以非制冷型為佳， 因?yàn)榉侵评湫臀y輻射熱儀無需液氮和斯特林制冷， 可長期無維護(hù)連續(xù)工作，壽命長且工作時(shí)無聲音，啟動(dòng)時(shí)間短。無論室內(nèi)

9、、戶外 使用，儀器不受陽光、氣候和其它高溫物體的影響。 熱靈敏度 可簡單定義為儀器或使觀察者能從背景中精確分辨出目標(biāo)輻射的最小溫度。 熱靈敏度值越小，代表熱靈敏度越高。 視場 它是光學(xué)系統(tǒng)視場角的簡稱， 表示能夠在光學(xué)系統(tǒng)像平面視場光闌內(nèi)成像的 空間范圍。 當(dāng)物體位于以光軸為軸線， 頂角為視場角的圓錐內(nèi)的任一點(diǎn) （在一定 距離內(nèi)）時(shí)能被光學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)， 即成像于光學(xué)系統(tǒng)像平面的視場光闌內(nèi)， 也即物 體能在熱成像攝像機(jī)中成像的物空間的最大張角叫做視場，一般是aox b o的矩 陣視場。類似 CCD 攝像機(jī)有效像素的概念。視場越大，圖像清晰度越高。 像素尺寸 像素尺寸指 aoxb o 矩陣視場內(nèi)每個(gè)

10、像素的大小。一般，像素尺寸越小，熱 靈敏度越高。 光譜響應(yīng) 這是指熱成像攝像機(jī)對紅外光譜的響應(yīng)范圍， 通常有中紅外光譜及遠(yuǎn)紅外光 譜兩種響應(yīng)范圍。以遠(yuǎn)紅外光譜(8.0-14.0卩m)為佳，因?yàn)橹屑t外光譜(3.0-8.0 卩m)的波長較短，較容易穿透有些物質(zhì)，使其最終無法正常成像。 現(xiàn)場溫度范圍 現(xiàn)場溫度范圍是指熱成像攝像機(jī)能感應(yīng)成像的最高溫度， 物體一旦超過該溫 度，攝像機(jī)將無法給出邊緣圖像。這類似普通 CCD 攝像機(jī)的受光過飽和現(xiàn)象。 溫度范圍越高，熱成像攝像機(jī)的圖像動(dòng)態(tài)范圍越廣。 另外，為方便讀者識(shí)別以上參數(shù)指標(biāo)，現(xiàn)以 FLIR 一體化熱成像定位系統(tǒng)的 規(guī)格參數(shù)為范例： 非制冷氧化磯微測輻

11、射熱儀(uncooled, Vanadium Oxide Microbolometer)； 熱靈敏度(sensitivity): 40mkF1.0； 視場(array format): 320 x 240； 像素尺寸(pixel size): 38 卩 m； 光譜響應(yīng)(spectrum respons： 7.5-13.5卩 m，遠(yuǎn)紅外感應(yīng)(LWIR)； 現(xiàn)場溫度范圍(scene temp range：至150C，最高可達(dá) 560C(可選)； 圖像顯示模式( display format)：White Hot、Black Hot、Sepia、Rainbow。 紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 1、紅外熱成

12、像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)式的非接觸的檢測與識(shí)別，隱蔽性好： 由于紅外熱成像技術(shù)是一種對目標(biāo)的被動(dòng)式的非接觸的檢測與識(shí)別，因而隱 蔽性好，不容易被發(fā)現(xiàn)，從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。 紅外熱成像技術(shù)不受電磁干擾，能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo)，精確制導(dǎo) 由于紅外熱成像技術(shù)利用的是熱紅外線，因而不受電磁干擾。采用先進(jìn)熱成 像技術(shù)的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)， 能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo)， 并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目 標(biāo)，使武器發(fā)揮最佳效能。 紅外熱成像技術(shù)可精確制導(dǎo)， 使制導(dǎo)武器具有較高的 智能性和發(fā)射后不用管的能力， 并可尋找最重要的目標(biāo)予以摧毀， 從而大幅度提 高了彈藥的命中精度，使其作戰(zhàn)威力成

13、幾十倍地提高。 紅外熱成像技術(shù)能真正做到 24h 全天候監(jiān)控 紅外輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射，而大氣、煙云等可吸收可見光和 近紅外線，但是對35ym和814ym的紅外線卻是透明的，這兩個(gè)波段被稱 為紅外線的 “大氣窗口 ”。 因此，利用這兩個(gè)窗口，可以在完全無光的夜晚，或 是在雨、雪等煙云密布的惡劣環(huán)境， 能夠清晰地觀察到所需監(jiān)控的目標(biāo)。 正是由 于這個(gè)特點(diǎn)，紅外熱成像技術(shù)能真正做到 24h 全天候監(jiān)控。 紅外熱成像技術(shù)的探測能力強(qiáng)，作用距離遠(yuǎn) 利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行探測的能力強(qiáng)， 可在敵方防衛(wèi)武器射程之外實(shí)施觀 察，其作用距離遠(yuǎn)。目前手持式及裝于輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清 800

14、m 以上的人體 ，且瞄準(zhǔn)射擊的作用距離為 23km； 在艦艇上觀察水面可達(dá) 10km ； 在 1.5km 高的直升機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面單兵的活動(dòng)； 在 20km 高的偵察機(jī) 上可發(fā)現(xiàn)地面的人群和行駛的車輛， 并可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇 等。 紅外熱成像技術(shù)可采用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種 只有當(dāng)物體的溫度高達(dá)1000 C以上時(shí)，才能夠發(fā)出可見光被人眼看見。而所 有溫度在絕對零度（-273 C）以上的物體，都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。如一個(gè) 正常的人所發(fā)出的熱紅外線能量大約為 100 W。這些都是人眼看不見的，但物體 的熱輻射能量的大小， 直接和物體表面的溫度相關(guān)。 熱輻射的這

15、個(gè)特點(diǎn)使人們可 以利用紅外熱成像技術(shù)對物體進(jìn)行無接觸溫度測量和熱狀態(tài)分析， 并可采用多種 顯示方式顯示出來。 如對視頻信號(hào)進(jìn)行假彩色處理， 便可由不同顏色顯示不同溫 度的熱圖像； 若對視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理， 即可用數(shù)字顯示物體各點(diǎn)的溫度 值等，從而看清人眼原來看不見的東西。 所以可以說， 紅外熱成像技術(shù)把人類的 感官由五種增加到六種。 紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強(qiáng)光影響，應(yīng)用廣 泛 紅外熱成像儀則可以同時(shí)測量物體表面各點(diǎn)溫度的高低， 直觀地顯示物體表面 的溫度場，并以圖像形式顯示出來。 由于紅外熱成像儀是探測目標(biāo)物體的紅外熱輻射能量的大小，從而不像微光 像增強(qiáng)儀那樣處

16、于強(qiáng)光環(huán)境中時(shí)會(huì)出現(xiàn)光暈或關(guān)閉，因此不受強(qiáng)光影響。 紅外熱成像技術(shù)除主要應(yīng)用軍事方面外，還可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、 消防、考古、交通、地質(zhì)、公安偵察等民用領(lǐng)域。并且，還可將這種技術(shù)大量地 應(yīng)用到安防監(jiān)控領(lǐng)域中，以方便實(shí)現(xiàn)智能安防監(jiān)控。 2、紅外熱成像技術(shù)的缺點(diǎn) 圖像對比度低，分辨細(xì)節(jié)能力較差 由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而一般目標(biāo)溫差都不大，因此紅外熱圖像對 比度低，使分辨細(xì)節(jié)能力變差。 不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)，如窗戶玻璃。 由于紅外熱成像儀靠溫差成像，而像窗戶玻璃這種透明的障礙物，使紅外熱 成像儀探測不到其后物體的溫差，因而不能透過透明的障礙物看清目標(biāo)。 成本高、價(jià)格貴 目前紅外

17、熱成像儀的成本仍是限制它廣泛使用的最大因素，但肖特基勢壘非 致冷紅外焦平面陣列的出現(xiàn)， 提供了一種以低成本獲得高分辨力、 高可靠性器件 的有效手段。隨著科技的發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)的突破，并提高加工效率，今后的成本 會(huì)大為降低的。 熱成像攝像機(jī)和低照度、紅外攝像機(jī)主要性能對比表 指標(biāo) 熱成像攝像機(jī) 低照度、紅外攝像機(jī) 技術(shù)水平 很高 低照度較高，紅外很低 工作照度 OLUX （全黑） 至少是星光或配紅外燈 工作頻段 8.0T4.0卩 m 0.75-1.0 卩 m 探測器類型 非制冷氧化磯微測輻射材料 CCD 鏡頭焦距 般疋疋焦 多數(shù)是變焦 拍攝距離 最遠(yuǎn)可達(dá)幾十公里 最遠(yuǎn)不到300米 拍攝靈敏度 感應(yīng)溫度變化，很高 感應(yīng)光線變化，白天較咼，夜晚較低 透霧性 可以透霧拍攝 不可透霧拍攝 拍攝范圍 全視場 紅外燈照射到或有微光的地方 隱蔽性 被動(dòng)感應(yīng)，不發(fā)光，隱蔽性好 配紅外燈，沒有隱蔽性 圖像色彩 一般黑白，帶有偽彩