再谈近红外线影像技术

1、再谈近红外线影像技术慧聪安防商务网     2002-06-07 9:14:35            作者金台宝    笔者从事近红外线影像的相关工作已经有十七年的经验，十七年前首次接触近红外线技术时，完全是个行外汉，除了对此技术感到惊奇之外，第一个反应就是一连串的为什么为什么在图书馆与书市里找不到任何有关红外线的资料？为什么没有一所大学或研究所开过有关红外线的课程？为什么没有一本有关红外线的专门著作？多年来笔者投入红外线领

2、域，一切从无到有，有感于大家普遍对于近红外线资料的收集不易，再度提笔写了这篇文章。        近红外线原本是噪讯（noise）    对标准的电子影像技术而言，近红外线是非常不受欢迎的噪讯。在电子摄像管（Image pickup tube）时代如此，到CCD的时代亦是如此，所以在一般商用的电子摄像管及CCD之前，必定有一片近红外线滤除滤色片（IR-cut filter），使电子摄像组件只能在可见光域中工作。在电子摄像管时代，要检验摄像管的优劣，通常会拿摄影机拍摄红色背景的

3、影像，这时候红色的背景必然闪烁不定，而愈稳定的摄影机品质愈高，价格愈贵。其中闪烁不定的红色背景是肇因于红外线及热。进入CCD时代后，红色背景的闪烁程度较为减轻，原因之一是CCD的温度较电子摄像管低。    CCD的响应频率是受其所使用的材质所影响的，而大部份的CCD都是用半透明的硅晶所制造的（其截面图如图1），当光线照到硅晶时，由于波长不同，穿透力亦不相同。紫外线的波长最短，所以只能达到表面无法造成感应，可见光部份则可穿透电极达到硅晶，因而产生电子电洞组（Electron-hole pair）形成信号，而近红外线虽具有较强的穿透力，但是当光子通过硅晶之后

4、，在硅晶深层所产生的电子电洞组却会在晶体内散射，再回到位能阱产生信号，但是它的量子效能却和深入的深度及硅晶的吸收度成反比，因此所产生的量子效率很低，此称为Fick's First Law of Diffusion。当波长更长，穿透力超过硅晶的厚度以后，就不再产生电子电洞组，此临界点称为临界波长（Cut-off wave length）及能带间隙（Energy band-gap），临界波长约为 1.1um。         电荷耦合型固态摄像组件之截面工作说明     

5、毕竟CCD主要是设计给电视影像使用的，所以一切的目标都是为了要表现400700nm的可见光。超过800nm以后，其量子效率迅速降低，但是在700900nm之间就成为最近几年CCD摄影机的重要卖点。其中最引人注目的事件就是日本SONY公司在1998年所推出，具备"Nightshot"的摄录像机（HandyCam，采用EXview HAD CCD技术（备注），号称运用内藏的红外线发光二极管（应该不是激光二极管，因为在发光出口处并无激光警告标示），可以在0 Lux的照度下拍摄暗中影像，结果产生类似透视效果而引爆新闻事件，造成抢购甚至缺货。关于一般CCD的感光域（响应频率）请参考图

6、2；EXview HAD CCD与传统CCD感光域（响应频率）的比较，请参考图3。         图2/一般CCD感光域（响应频率）示意图    此图为一般CCD感光域（响应频率）的粗略表示，中段部份连续起伏的部份是因为硅芯片本身对光线干涉的结果。本图为手绘图，仅供参考，并无实际之对应性。         图3/EXview HAD CCD与传统CCD感光域（响应频率）比较图  

7、60;  使用CCD摄影机配合近红外线灯光、近红外线发光二极管及近红外线雷射二极管拍摄近红外线影像并非CCD摄影机的原始设计意图，却因CCD在700900nm间丰富的感光特性而另外成就一番天地，阴错阳差而意外成功的案例，确实出乎意料。        备注:    根据台湾新力国际股份有限公司在公司网站半导体新知项目中介绍（原文照录）：EXview HAD CCD(1998年)：比可视光波长更长的红外线光，会在半导体硅芯片内做光电变换。可是到现在为止的CCD

8、设计是无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到传感器内。新开发的EXview HAD CCD技术下就可以将以前未能有效利用的近红外线光可被有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，使得感光度能大幅提高。如果利用EXview HAD CCD组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分也可被收集到传感器内。所以会影响画质的噪声也大幅降低。        近红外线影像超出人类视觉认知范围   

9、60;正如前面提到的，CCD主要是设计给电视影像表现400700nm的可见光使用，其中最深层的含意应该是：把400700nm的影像电子化，使电子影像得以记录、传播与编辑。而这种电子影像必须是不违背人类的视觉认知，也就是从CCD摄影机摄取所得的影像，其表现方式应该与人类肉眼所见的影像一致。至于波长大于700nm以上的红外线与波长短于400nm以下的紫外线已超出人类视觉范围，所以无论是用紫外线或红外线来诠释一种物体，都已经超出了人类认知的经验法则，其所呈现的影像都属于不可知的事实（即实质存在，却无法由人类天赋的知觉去发觉或定义之），因而只能借用黑白影像即只代表信号之有或无及强或弱的方式表现之。当然

10、，因紫外线激发而发生的萤光或磷光，是属于可见光的范围，但是从被照射物体反射的紫外线仍然是不可见的；至于红外线，则自始即是不可见的。         近红外线影像的特别之处    1. 在夜晚或暗室拍摄时，使用CCD摄影机配合近红外线光可能的失真情形有：    A. 几乎所有的植物都会完全反射近红外线，所以使用CCD摄影机配合近红外线光拍摄树木、草地时，会得到非常明亮的近红外线影像，让人把夜晚错认为白昼或雪景。  &#

11、160; B. 皮肤对近红外线的反射也很强，但是血管外壁、毛发及富含色素的组织如斑、痣、乳头等等，对红外线的反应正好相反。因此，近红外线人像都显得苍白、髭须怒张、面露青筋。    C. 化妆品、毛发染色剂对近红外线的反应各不相同，如果需要对近红外线拍摄的人物影像进行辨识，这些外用品可能会产生困扰。    D. 服装会因纤维的种类、织法、染料，而有非常不同的反应，可能造成实体与影像之间发生非常严重的误判。    E. 场景中的尘埃、雨、雾、雪及飞舞的昆虫，受红外线灯光

12、照射时，会在镜头前方产生高亮度的眩光，破坏影像。    2. 在白天，使用对近红外线敏感的CCD摄影机（即拆除IR-cut滤色片的CCD摄影机）受近红外线影响而造成失真的情形有：    A. 在大太阳或大雪天，场景中充满了红外线以及被反射的红外线，影像完全白化而无法使用，除非摄影机镜头中心装置有减光滤色片（Neutral Density Spot Filter）或是摄影机本身具备电子快门（Electronic Shutter or electronically gated）。   &#

13、160;B. 场景周遭的环境及地形、地物可能会产生不明的近红外线照射或反射。由于近红外线是不可见的，因此往往有无法察觉的、破坏影像的情况发生。例如：高楼的玻璃、磁砖或油漆涂料、雪地或沙漠的表面、湖泊或河川的水面等等，都会反射阳光及其它的热源辐射，在电视画面上产生不明的噪讯而压抑了正常影像的清晰度。    C. 如同第1点的A.所述，几乎所有的植物都会完全反射近红外线，所以场景中如果有树木、草地时，白天在阳光直射或漫射下，背景亮度大幅提升，会压抑主题影像的亮度与清晰度。    D. 近红外线影像的焦距与可见光影像的焦

14、距有些微差距，当可见光与近红外线同时呈现时，必然有一种影像的焦距是松散的，焦距松散的影像也必然会把主题影像的清晰度给拖下来。 只须采用单一系统的情况    1. 如果CCTV系统中的摄影机只在日间工作，请不必赶时髦，使用既简单又便宜的CCD或CMOS摄影机即可（彩色或黑白请依需求自行决定）。    2. 如果CCTV系统中的摄影机只在日间工作（或者日夜间的工作环境并无明显差异），但工作环境是照度非常低的暗室，例如电影院、饭店走道、电梯间、地下室、管道间等场所，请直接采用对近红外线光感应的黑白CCD摄影机，再视情况选

15、择配合的辅助照明方式。不必选择较为昂贵的白天彩色/晚上黑白的日夜两用型摄影机。    3. 如果CCTV系统中的摄影机必须日夜工作，但夜间有足够的照明，亦请使用既简单又便宜的CCD或CMOS摄影机即可（彩色或黑白请依需求自行决定）。    4. 如果CCTV系统中的摄影机必须日夜工作，夜间照明虽不足够，但是可以任意增加照明所需灯光或是任意调整摄影机位置，也就是说，使用者可以完全掌控现场状况时，请选择适当的位置与辅助照明，使用既简单又便宜的CCD或CMOS摄影机即可（彩色或黑白请依需求自行决定）。 

16、0;  5. 如果CCTV系统中的摄影机必须在照明状况变化极大的情况下工作，也就是说，该摄影机需应付极为宽广的动态范围（Dynamic range，例如：想用一部CCTV摄影机在电影院内监看室内及刚从室外走进门口的顾客；或是像大多数银行装设在大厅正门口的CCTV摄影机，既想监看在银行大厅走动的客户，又想监看刚从室外走进银行的客户），请选择适当的位置安装两架摄影机分别工作。理由如下：    A. 摄影机想在极为宽广的动态范围中工作时，必须配备有高阶自动光圈镜头（即镜头除了最大光圈足够大之外，还必须含有称为Neutral Density

17、Spot Filter的减光滤色片）。    B. 一般CCTV镜头的最小机械光圈大约是f/11或f/16。以最大机械光圈为f/2来计算，该镜头可以涵盖的最大照明状况变化范围只有32或64倍。如果室内照度恒定为5 Lux，且该镜头以f/2的光圈正好可以获得完美的影像时，那么室外的照度一旦超过320 Lux后，一切影像都会因曝光过度而白化，以致无法使用。    当然，采用电子快门摄影机是理想又便宜的解决之道，但是摄影机镜头对光度变化的反应速度以及系统所采用的录像设备也都会影响系统功能，如果匹配不良，仍然可能漏失重要的

18、讯息（画面）。         采用白天彩色、晚上黑白的情况    最标准的CCTV监视系统，其日夜监视影像必须一致，也就是说日间与夜间都使用同一支摄影机、同一台监视器，夜间利用足够的灯光照明以获得相同规格的监视影像。然而自从彩色摄影机普及化以后，白天采用彩色摄影机监控已经成为业界的标准规格。于是，需要采用白天彩色、晚上黑白监视的情形就应运而生，最主要的原因之一是日夜间的照度往往相差数千甚至数万倍，而彩色摄影机的最低照度仍然居高不下，需要监控的地区可能因为地区开阔，夜间无法提

19、供足够的灯光照明，或者因为需要隐蔽的关系不能够设置辅助照明，只得在晚上使用照度较低的黑白摄影机（有些情况中甚至需要使用由光放管增强电子影像的夜视器）来弥补监控的需求。所以，白天彩色、晚上黑白是一种不得已的妥协方式，并非CCTV监视系统的常态。    此外，无论是摄影机或监视器，黑白与彩色都属于不同规格的产品，CCTV监视系统设计者非不得已通常也都不会把两种不同规格的产品混用在一套系统之中。    当然，1998年SONY公司开发的”EXview HAD CCD”技术以及Panasonic公司新近开发的EXTRA-V

20、iew CCD都可以由同一片CCD组件提供标准的彩色影像与感度非常低且波长范围延伸到近红外线的黑白影像，使得前述需要两架摄影机的情况改观。    至于采用白天彩色、晚上黑白的日夜两用型摄影机，或是单纯的黑白摄影机，在夜间是否需要（或者说是否应该）使用红外灯照明，笔者认为仍然有许多值得商榷的空间。         CCTV在夜间监视的方式    在CCTV系统中夜间监视与日间监视是一致的，就是使用足够的照明，让日夜的监视影像一致。不过近年

21、来环保意识高涨，于是有人主张尽量减少野外照明，既节约能源又可消除光害，所以才有业者使用CCD摄影机配合近红外线光拍摄夜间影像的产品，创始者认为近红外线是不可见的，所以是环保的、无污染的、先进的与秘密的。殊不知近红外影像技术其实是从高耗能、低效率的主动式红外影像技术逐步演进才建立了今日的被动式红外影像技术基础（夜视技术，见注1；红外线热侦测（热像技术），见注2）。    况且，CCTV监视系统的主要目标毕竟是保全建筑或设施的安全，最好是在歹徒尚未起意之时就能发挥吓阻的功效，使其打消侵入的意图。如果宵小或歹徒的犯意坚强，也能在侵入的犯罪行为发生之时立刻发出警

22、讯，通知保全人员防范及制止，同时撷取宵小或歹徒侵入的犯罪证据，所以CCTV监视系统的功能纯属守势。    如果使用CCD摄影机配合近红外线光拍摄，则有趋向较攻势的倾向，它让所有接近建筑或设施的民众在不知情的状况下被拍摄到属于个人私密的影像，应该侵犯了大自然赋与个人的夜间隐私权（譬如：只是某个尿急的人想找个地方方便一下，或是亲密的情侣想找个地方亲吻）。当然，其中有部分可能是宵小或歹徒的犯罪行为，笔者认为类似这种发现或侦查犯罪的行为，必须先获得法院的授权，绝非CCTV系统使用者的权责。    笔者同时相信，全世界的CC

23、TV系统业者也都怀抱相同尊重个人夜间隐私权的理念，因此才在CCTV系统中发展出许许多多可供选择的技巧，来遂行夜间保全与监视：    1. 善用照明技术     适当的照明可以打消八成以上的犯罪意图（包括前述的寻求方便者），而不必通宵达旦的把四野照耀得纤毫毕现。毕竟，需要全时监控的地方并不多见，大约只有在战区、监狱、重要国界、海防边境、敏感军事设施等地，此外全时监控又是压力大、动员广且极为劳累的工作，如非必要不须尝试。    亦如红外灯产品探索系列报导中所述：实现夜视的方法，可

24、以采用常规的可见光照明，但此法不仅不能隐蔽，反而更加暴露监控目标，在住宅小区还会衍生扰民问题。因此，首先区分CCTV系统是否需要全时监控，如非全时监控系统，只需配合适当的科技技术结合照明设备即可以逸待劳，轻松达成工作需求。    A. 运用空间及景观照明设计，让景观照明的光线不着痕迹地同时提供给保全监控系统使用，例如把建筑或设施外围配合企业LOGO或出租成广告，进行美化，既可达成夜间照明、对犯罪意图者造成心理压力的目的，又不会太突显保全监控的意图，使保全监控艺术化；    B. 技巧地使用屏蔽，使照明范围只涵盖需要

25、保全的建筑或设施，不要让光线泄出扰民或造成光害；    C. 选用光敏式、热敏式或光电感应式照明，只有在照度低于临界值，或民众过度接近到可能发生非法入侵时，才激活灯光开始警戒；    D. 设计阶段式照明，在可能入侵或必须防止入侵的通路及动线上装置热敏式或光电感应式的低功率照明灯光，提供监视摄影机使用。与监视摄影机同步运动的灯光固然有较高的照明工作效率，但因照度与距离的平方成反比，往往照明功率并不理想，而减少一半的距离可以节省4倍的电力，减少1/4的光污染。读者可想象一个状况：假设与监视摄影机同步运动的灯光是2,0

26、00 WATT，恰巧可以让距离100公尺远的被摄目标呈现清晰的影像，那么在距离被摄目标1/10处（即10公尺的位置）设置照明灯光，只须20 WATT 就可以获得相同清晰的影像了！    2. 善用高速定位定距摄影机（hi-speed , preset pan/tilt, zoom/focus）     由于CCD摄影机日益小巧化，连带使镜头也随之精巧多变，甚至能够记忆多组伸缩距与焦距（preset zoom/focus）组合。而摄影机连镜头的轻巧化，使得负载摄影机的电动云台更加灵巧，进而可以预设方位（preset

27、pan/tilt）。配合各式触发装置，几乎可以实时把摄影机指向触发点，撷取目标地影像。        注1：被动式夜视技术从1950年以第一代光放管的型态面世后，经过不断的研究改进，而有第二代及第三代光放管的产生，并且在科学及研究领域中有非常突出的表现。但这些成果毕竟只是研究性质大于实用性质，直到波斯湾战争获得全面的胜利，才让夜视技术得以在原始以军事用途为主的发展领域上获得正式的认同。    除了使用夜视器直接观察之外，配合电视摄影机而成为可以记录观察结果的装置，使夜视技术得

28、以另辟蹊径，如使用电子倍增管技术耦合的硅晶固态传感器电视摄影机（II SSA camera）代替传统的硅晶固态传感器电视摄影机（SSA camera or CCD camera）的基本理由，是在更低照度条件下工作时，电子倍增管技术可以输出较高讯噪比的光学放大影像讯号作为电视摄影机的输入讯号。         注2：红外线热侦测乃运用物理自然原理，感应任何具有温差之物体，经由光学及电子讯号处理，使观测物无所遁形。         公共安全

29、与隐私权的争战    CCTV系统的目标是防范犯罪，是防守的工作；防止犯罪与发现或侦查犯罪是警察权的行使，是执法者的工作，CCTV的系统设计规划者应该先建立这方面的基本共识。    近年来警察单位以预防犯罪为目标在多种公共场所安装监视器，立意甚佳，但对监视所得之影像，应如何保管、使用，却无相关规定予以约束，显得有些美中不足。同样也在公共场所安装许多监视器的民主国家例如英国和日本，虽然引起许多卫道人士的反对与抗议，但还是安装了CCTV系统，为此，他们对监视影像有严格的管理制度。美国也装置有非常多的监视器，可是并不醒目且效率奇高，每遇重大事故，政府几乎都能提出事发当时的监视影像，而且绝对不会受到民众的责难。    然而在台湾除了警察单位的预防犯罪监视之外，各县市政府正积极在乡镇邻里街道大量装置监视器，名为守望相助，有些监视器影像甚至还可以连接网络公开查阅，只是不知道这些行为的法律依据在那里？管理及使用这些监视设备与影像的人员有无限制？如果犯罪者也利用这些