低照度攝像與熱成像技術(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?duì)夜晚黑暗等環(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(duì)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?cè)跀z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，不僅要看鏡頭的光圈大?。‵值），更要看是在什麼條件

2、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(duì)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(duì)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（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)

3、0.0008星光級(jí)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(chǎng)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)0LUX）不僅能清晰的辯識(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

4、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(duì)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

5、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(cè)，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(duì)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(duì)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。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

6、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（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(duì)主紅外技術(shù)與熱成像技術(shù)的理解常出現(xiàn)混淆。

7、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（0.75-1.0m）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（3.08.0m、8.014.0m），利用（非制冷）氧化礬微測(cè)輻射熱儀感應(yīng)物體所輻射散發(fā)的紅外能量來成像。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(cè)到，從而自我暴露。熱成像技術(shù)由于

8、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(cè)輻射熱儀微測(cè)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(cè)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)、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(chǎng)它是光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角的簡稱，表示能夠在光學(xué)系統(tǒng)像平面視場(chǎng)光闌內(nèi)成像的空間范圍。當(dāng)物體位于以光

9、軸為軸線，頂角為視場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，一般是ao×o的矩陣視場(chǎng)。類似CCD攝像機(jī)有效像素的概念。視場(chǎng)越大，圖像清晰度越高。像素尺寸像素尺寸指ao×o矩陣視場(chǎng)內(nèi)每個(gè)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(duì)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（8.0-14.0m）為佳，因?yàn)橹屑t外光譜（3.0-8.0m）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。 

10、現(xiàn)場(chǎng)溫度范圍現(xiàn)場(chǎng)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： ·非制冷氧化礬微測(cè)輻射熱儀（uncooled，Vanadium Oxide Microbolometer）；·熱靈敏度（sensitivity）：<40mkF1.0；·視場(chǎng)(array format)：320×240；·像素尺寸（pixel size）：

11、38m；·光譜響應(yīng)（spectrum response）：7.5-13.5m，遠(yuǎn)紅外感應(yīng)（LWIR）；·現(xiàn)場(chǎng)溫度范圍（scene temp range）：至150，最高可達(dá)560（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(cè)與識(shí)別，隱蔽性好：     由于紅外熱成像技術(shù)是一種對(duì)目標(biāo)的被動(dòng)式的非接觸的檢測(cè)與識(shí)別，因而隱蔽性

12、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

13、    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(duì)35m和814m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(cè)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(cè)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

14、儀可讓使用者看清800m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(cè)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 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(duì)零度（-273 ）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

15、體的熱輻射能量的大小，直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行無接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，并可采用多種顯示方式顯示出來。如對(duì)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(duì)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(chǎng)，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(cè)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(chǎng)，并以圖像

16、形式顯示出來。    由于紅外熱成像儀是探測(cè)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(duì)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，

17、而一般目標(biāo)溫差都不大，因此紅外熱圖像對(duì)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(cè)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(shì)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(duì)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0LUX（全黑）至少是星光或配紅外燈工作頻段8.014.0m0.75-1.0m探測(cè)器類型非制冷氧化礬微測(cè)輻射材料CCD鏡頭焦距一般是定焦多數(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，白天較高，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(chǎng)紅外燈照射到或有微光的地方