低照度摄像和热成像技术

1、低照度摄像与热成像技术！ 摄像机的一个重要参数是最低照度， 人们关注最低照度是因为人们对夜晚黑 暗等环境下的监控需求， 安防是不分白昼的， 因此夜晚成像技术是非常有用并有 广泛需求和前景的技术。 照度为一亮度单位，顾名思义，是指摄像机在摄取影像时，对周围环境照明 亮度的需求，1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度，我们在摄像机参数规格 中常见的最低照度，表示该摄像机只需在所标示的 LUX 数值下，即能获取清晰 的影像画面，此数值越小越好，说明 CCD 的灵敏度越高。同样条件下，黑白摄 像机所需的照度远比尚须处理色彩浓度的彩色摄像机要低 10 倍。 行业内人士强调，照度能低到多少，不仅要看镜头的

2、光圈大小（ F 值），更 要看是在什麽条件限制下才能出现所标示的 LUX值，以光圈大小（F值）而言， 光圈愈大则其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。另外电子灵敏度，单一画面 累积帧数，红外线是ON还是OFF等均对最低照度有影响。 低照度摄像机 低照度摄像主要技术：日夜转换型、低速快门和超感度摄像机。 日夜转换型： 摄像是利用黑白影像对红外线感度较高的特点，在一定的光源条件，利用线 路切换的方式将影像由彩色转为黑白，以便于搭配红外线。而白天彩色/晚上黑 白的摄像机因受限于 CCD 感度,本身并无法改变 ,只是利用线路切换及搭配红外 光的方式将功能提升 ,不能算是低照度摄像机。 低速快门： 又称为

3、（画面）累积型摄像机：其原理是利用电脑记忆体的技术，利用该技 术，可以实现 0.0008 星光级的情况下应用。此技术的原理可以看出，他还是离 不开“光源”，必须要求环境必须有光的存在，即使它很微弱，因此如果在完全黑 暗的条件下，它无效。并且，图象的成像是以牺牲图象的连续性为代价的（注意 其原理是延长曝光时间使 CCD 充分感光，有一个光的积累过程）。此类型低照 度摄像机适用于较静态场所的监视。 超感度摄像机： 超感度摄像机（ EXVIEW/HAD） ，又称 24 小时摄像机，其彩色照度可达 0.05LUX，黑白则可达0.003-0.001LUX （亦可搭配红外线以达 OLUX）不仅能清 晰的辩

4、识影像，更是实时连续的画面。此类型摄像机主要是采用 SONY 元件厂 所推出的EXVIEW/HAD/CCD （超感CCD）,其运用专利技术将 CCD每一画素 的开口率提高，进而达到更低照度的要求，由于该 CCD 的制造成本仍高，相对 的成品制造商要研发此类摄像机的技术门槛也较高。 EXVIEW HAD CCD+画面累 积技术，并且基本消除了拖影现象。 主动红外技术 利用CCD摄像机（黑白模式），可以感应红外光谱原理，给CCD摄像机配 置红外照明光源（红外灯），利用物体反射红外光源的红外光达到成像的目的， 缺点使红外照明距离短，灵敏度不高、并且容易红暴。 热成像技术 红外线辐射是自然界存在的一种

5、最为广泛的电磁波辐射， 它在电磁波连续频 谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。 这种红外线辐射是基于任何物 体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动， 并不停地辐射出热红 外能量。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大 ; 反之，辐射的能量愈小。 热成像技术原理：通过非接触探测，将物体辐射产生的红外能量（热量）转 换为电信号，经过处理形成热辐射图象。凡是温度高于绝对温度零度（零下 270 摄氏度）的物体均向外辐射红外能量，温度越高，红外辐射越强。因此，热成像 技术不同与低照度技术，即使在绝对黑暗（没有可见光）的环境下也可以成像； 也不同语主动红外技术，它不需要额外的红外设备。

6、 热成像技术 VS LowLightTM 低照技术 LowLightTM 低照技术采用高感光 CCD （如Exview HAD CCD等）、DSS数 字快慢门调节来提高摄像机的低照性能。曝光时间的增长使 CCD 更充沛感光， 从而增强图像亮度及清晰度。 LowLightTM 低照技术的应用优点在于设备简单 （仅摄像机即可）、价格大众化 （技术已普及），缺点则在于图像亮度以牺牲图像 连续性为代价，而最终 LowLightTM 低照技术仍需依靠照明光源并局限于可见光 光谱内。当环境呈黑暗、烟雾或遮挡时，低照技术显然无所适从。 热成像技术由于依靠红外辐射成像不依赖可见光，无论环境光照强或弱、能 见度

7、（遮挡）高或低均不影响有效成像。因此，热成像技术完全解决了必须依靠 “可见光”的技术瓶颈，将视频监控系统的应用扩展至更大范围。 热成像技术 V.S 主红外技术 不少用户对主红外技术与热成像技术的理解常出现混淆。事实上，两者技术 虽然都借由红外光谱成像，但是其成像原理却大不相同。 主红外技术利用CCD摄像机（黑白模式下）可感应近红外光谱（0.75-1.0卩 m）的原理，在CCD摄像机附近架设辅助红外照明设备（如红外灯等），利用物 体反射红外源的红外光达到成像目的。 红外热成像技术是感应中、远红外光谱（3.08.0卩m、8.014.0卩m）,利用 （非制冷）氧化矾微测辐射热仪感应物体所辐射散发的红

8、外能量来成像。 主动红外技术至今未得到广泛应用， 问题在于红外辅助照明设备的技术弊端 重重。照明范围小、灵敏度低、耗能大；体积笨重、使用寿命短，最致命的弱点 是红外辅助照明设备所散发的红外光线极易被探测到，从而自我暴露。 热成像技术由于感应来自物体辐射散发的红外能量， 完全抛弃问题重重的红 外辅助照明设备，从根本上杜绝以上弊病及弱点。 一体化热成像定位系统的光学参数及意义 微测辐射热仪 微测辐射热仪是一体化热成像定位系统的摄像机组件， 通常有制冷与非制冷 两种类型。以非制冷型为佳， 因为非制冷型微测辐射热仪无需液氮和斯特林制冷， 可长期无维护连续工作，寿命长且工作时无声音，启动时间短。无论室内

9、、户外 使用，仪器不受阳光、气候和其它高温物体的影响。 热灵敏度 可简单定义为仪器或使观察者能从背景中精确分辨出目标辐射的最小温度。 热灵敏度值越小，代表热灵敏度越高。 视场 它是光学系统视场角的简称， 表示能够在光学系统像平面视场光阑内成像的 空间范围。 当物体位于以光轴为轴线， 顶角为视场角的圆锥内的任一点 （在一定 距离内）时能被光学系统发现， 即成像于光学系统像平面的视场光阑内， 也即物 体能在热成像摄像机中成像的物空间的最大张角叫做视场，一般是aox b o的矩 阵视场。类似 CCD 摄像机有效像素的概念。视场越大，图像清晰度越高。 像素尺寸 像素尺寸指 aoxb o 矩阵视场内每个

10、像素的大小。一般，像素尺寸越小，热 灵敏度越高。 光谱响应 这是指热成像摄像机对红外光谱的响应范围， 通常有中红外光谱及远红外光 谱两种响应范围。以远红外光谱(8.0-14.0卩m)为佳，因为中红外光谱(3.0-8.0 卩m)的波长较短，较容易穿透有些物质，使其最终无法正常成像。 现场温度范围 现场温度范围是指热成像摄像机能感应成像的最高温度， 物体一旦超过该温 度，摄像机将无法给出边缘图像。这类似普通 CCD 摄像机的受光过饱和现象。 温度范围越高，热成像摄像机的图像动态范围越广。 另外，为方便读者识别以上参数指标，现以 FLIR 一体化热成像定位系统的 规格参数为范例： 非制冷氧化矶微测辐

11、射热仪(uncooled, Vanadium Oxide Microbolometer)； 热灵敏度(sensitivity): 40mkF1.0； 视场(array format): 320 x 240； 像素尺寸(pixel size): 38 卩 m； 光谱响应(spectrum respons： 7.5-13.5卩 m，远红外感应(LWIR)； 现场温度范围(scene temp range：至150C，最高可达 560C(可选)； 图像显示模式( display format)：White Hot、Black Hot、Sepia、Rainbow。 红外热成像技术的优缺点 1、红外热成

12、像技术的优点 红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好： 由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别，因而隐 蔽性好，不容易被发现，从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。 红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导 由于红外热成像技术利用的是热红外线，因而不受电磁干扰。采用先进热成 像技术的红外搜索与跟踪系统， 能远距离精确跟踪热目标， 并可同时跟踪多个目 标，使武器发挥最佳效能。 红外热成像技术可精确制导， 使制导武器具有较高的 智能性和发射后不用管的能力， 并可寻找最重要的目标予以摧毁， 从而大幅度提 高了弹药的命中精度，使其作战威力成

13、几十倍地提高。 红外热成像技术能真正做到 24h 全天候监控 红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射，而大气、烟云等可吸收可见光和 近红外线，但是对35ym和814ym的红外线却是透明的，这两个波段被称 为红外线的 “大气窗口 ”。 因此，利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或 是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境， 能够清晰地观察到所需监控的目标。 正是由 于这个特点，红外热成像技术能真正做到 24h 全天候监控。 红外热成像技术的探测能力强，作用距离远 利用红外热成像技术进行探测的能力强， 可在敌方防卫武器射程之外实施观 察，其作用距离远。目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清 800

14、m 以上的人体 ，且瞄准射击的作用距离为 23km； 在舰艇上观察水面可达 10km ； 在 1.5km 高的直升机上可发现地面单兵的活动； 在 20km 高的偵察机 上可发现地面的人群和行驶的车辆， 并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇 等。 红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加到六种 只有当物体的温度高达1000 C以上时，才能够发出可见光被人眼看见。而所 有温度在绝对零度（-273 C）以上的物体，都会不停地发出热红外线。如一个 正常的人所发出的热红外线能量大约为 100 W。这些都是人眼看不见的，但物体 的热辐射能量的大小， 直接和物体表面的温度相关。 热辐射的这

15、个特点使人们可 以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析， 并可采用多种 显示方式显示出来。 如对视频信号进行假彩色处理， 便可由不同颜色显示不同温 度的热图像； 若对视频信号进行模数转换处理， 即可用数字显示物体各点的温度 值等，从而看清人眼原来看不见的东西。 所以可以说， 红外热成像技术把人类的 感官由五种增加到六种。 红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场，不受强光影响，应用广 泛 红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低， 直观地显示物体表面 的温度场，并以图像形式显示出来。 由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小，从而不像微光 像增强仪那样处

16、于强光环境中时会出现光晕或关闭，因此不受强光影响。 红外热成像技术除主要应用军事方面外，还可广泛应用于工业、农业、医疗、 消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。并且，还可将这种技术大量地 应用到安防监控领域中，以方便实现智能安防监控。 2、红外热成像技术的缺点 图像对比度低，分辨细节能力较差 由于红外热成像仪靠温差成像，而一般目标温差都不大，因此红外热图像对 比度低，使分辨细节能力变差。 不能透过透明的障碍物看清目标，如窗户玻璃。 由于红外热成像仪靠温差成像，而像窗户玻璃这种透明的障碍物，使红外热 成像仪探测不到其后物体的温差，因而不能透过透明的障碍物看清目标。 成本高、价格贵 目前红外

17、热成像仪的成本仍是限制它广泛使用的最大因素，但肖特基势垒非 致冷红外焦平面阵列的出現， 提供了一种以低成本获得高分辨力、 高可靠性器件 的有效手段。随着科技的发展，关键技术的突破，并提高加工效率，今后的成本 会大为降低的。 热成像摄像机和低照度、红外摄像机主要性能对比表 指标 热成像摄像机 低照度、红外摄像机 技术水平 很高 低照度较高，红外很低 工作照度 OLUX （全黑） 至少是星光或配红外灯 工作频段 8.0T4.0卩 m 0.75-1.0 卩 m 探测器类型 非制冷氧化矶微测辐射材料 CCD 镜头焦距 般疋疋焦 多数是变焦 拍摄距离 最远可达几十公里 最远不到300米 拍摄灵敏度 感应温度变化，很高 感应光线变化，白天较咼，夜晚较低 透雾性 可以透雾拍摄 不可透雾拍摄 拍摄范围 全视场 红外灯照射到或有微光的地方 隐蔽性 被动感应，不发光，隐蔽性好 配红外灯，没有隐蔽性 图像色彩 一般黑白，带有伪彩