CN107820066A - 一种低照度彩色摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低照度彩色摄像机，用于解决现有低照度摄像机夜间彩色成像质量差的问题。本发明摄像机在近红外补光情况下，采用近红外增透镜头和单色图像传感器拍摄灰度图像，采用与近红外增透镜头光轴平行的可见光镜头和彩色图像传感器拍摄彩色图像，在YUV颜色空间，对灰度图像和彩色图像进行亮度与颜色融合，得到低照度彩色图像。本发明可有效提升低照度彩色成像质量，并降低摄像机制造成本。
Description
技术领域
本发明属于视频监控成像技术领域，特指一种低照度彩色摄像机。
背景技术
视频监控技术被广泛应用军事、安防、公共安全领域。通过摄像机可以观察和记录，感兴趣区域事件，对预防犯罪、保障公共安全，具有重大作用。摄像机是视频监控技术应用的关键核心设备，通过摄像机内部的图像传感器可以对场景实现成像。摄像机拍摄图像质量，与环境光照条件紧密相关。当光照充足时，可以拍摄出明亮的、清晰图像。当光照不足时，比如夜间，拍摄图像亮度不够，且存在大量图像噪声，无法清晰成像。对于视频监控而言，需要具备24小时监视能力。因此，如何在夜间极低照度条件下，获取清晰图像是视频监控技术领域需要解决的技术难题。通过近红外补光，可以获取场景中灰度图像，但却丢失了重要的颜色信息。采用白光补光，可以实现夜间低照度条件下彩色成像。但却带来另外一个问题：由人眼可以感知白光，在采用大功率白光补光时，会使人眼炫目，特别是在交通路口，很容易引发交通事故。若降低补光功率，又无法清晰成像。为此，现有补光系统多采用闪光灯照明，只获取图像，无法获取视频。
对于视频监控而言，迫切需要在低照度情况下、非白光补光情况下，获取彩色图像。为此，海康威视推出了黑光摄像机。黑光是不可见光，包括近红外光、紫外光等。如图1所示，海康威视的黑光摄像机使用近红外光光源(3)补光照明，采用近红外与可见光分光棱镜(13)将进入镜头的光线分为近红外光和可见光后，采用两个垂直放置的图像传感器，获取近红外图像和彩色图像，再对近红外图像和彩色图像融合，得到低照度彩色图像。该摄像机拍摄的彩色图像明显优于现有基于单图像传感器的星光摄像机。但是，该黑光摄像机还存在以下问题：1)现有基于CCD或CMOS工艺的图像传感器在近红外波段的量子效率较低，经近红外与可见光分光棱镜后，在近红外光光路上，拍摄的灰度图像信噪比较低，为了提升灰度图像信噪比，需要增大近红外补光功率；2)为保证低照度成像性能，需要采用大像素尺寸图像传感器芯片，对于高分辨率成像而言，需要使用大尺寸图像传感器，然后，在镜头后端设置了近红外与可见光分光棱镜后，再安置2个较大尺寸的图像传感器，就需要前端使用的镜头具有较大后焦深度，否则，两个图像传感器无法清晰成像；因此，对于黑光摄像机而言，需要定制大后焦镜头，而不能使用常规镜头，进而增加制造成本；3)为实现同轴成像、黑白图像与彩色图像视场重合、拍摄图像清晰对焦，在图像传感器焊接、电路板制造，和镜头、近红外与可见光分光棱镜、2块成像电路装配过程中，需要消耗大量的时间，进行人工对准和调试，又会显著增加摄像机生产成本。
发明内容
为克服现有低照度彩色摄像机夜间低照度成像质量差的问题，本发明公开一种低照度彩色摄像机。
本发明解决上述技术问题提供的技术方案是：低照度彩色摄像机由1个摄像机机壳(1)、1个光电传感器(2)、1个近红外光源(3)、1个近红外增透镜头(4)、1个单色图像传感器(5)、1个可见光镜头(6)、1个IRCUT(7)、1个彩色图像传感器(8)、1个处理电路(9)、1个供电接口(10)、1组数据接口(11)构成。
摄像机机壳(1)前端设置两个镜头接口，用于固定近红外增透镜头(1)和可见光镜头(2)，在摄像机机壳前端设置光电传感器(2)。
光电传感器(2)选用可见光传感器，用于测量场景中可见光强度，以此判定是否开启或关闭近红外光源(3)。
近红外光源(3)固定在摄像机壳(1)前方，在低照度情况下，对场景进行补充照明，近红外光源(3)波长范围为800nm～1000nm，照明视场角大于拍摄视场，近红外光源(3)具有控制信号输入接口，并与处理电路(9)连接，由处理电路(9)控制近红外光源开启或关闭。
近红外增透镜头(4)后端设置单色图像传感(5)用于拍摄灰度图像A。
可见光镜头(6)后端设置彩色图像传感器(8)用于拍摄彩色图像B，在彩色图像传感器(8)前端设置IRCUT(7)，用于近红外光源(3)开启照明情况下过滤近红外光。
所述彩色图像传感器(8)为Bayer图像传感器，彩色图像B是由Bayer图像传感器拍摄的Bayer图像Q经图像去马赛克处理得到。
处理电路(9)是嵌入式硬件，可采用ARM、DSP、FPGA、ASIC、单片机等芯片实现；采集电路(9)与光电传感器(2)、近红外光源(3)的控制电路接口、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)、IRCUT(7)、供电接口(10)、数据接口(11)连接，为光电传感器(2)、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)、IRCUT(7)、数据接口(11)供电，完成光电传感器(2)测量信号采集与处理，单色图像传感(5)、彩色图像传感器(8)图像采集，完成ISP处理、图像融合、图像压缩、图像存储、图像传输等操作，进行IRCUT、近红外光源驱动控制。
供电接口(10)与近红外光源(3)、处理电路(9)连接，为近红外光源(3)和处理电路(9)供电。
数据接口(11)用于摄像机控制、数据传输，相关接口包括：BNC、网络、HD-SDI、HDMI。
本发明低照度彩色摄像机工作流程是：处理电路(9)采集光电传感器(2)测量结果v，取值范围为0～255，当测量结果v>t时，摄像机进入白天工作模式，当测量值v<t时，摄像机进入夜间工作模式，其中t是判定阈值，取值范围为0～255；在白天工作模式，处理电路(9)关闭近红外光源(3)、单色图像传感器(5)，驱动IRCUT移开彩色图像传感器前端的IR滤光片，采集彩色图像传感器(8)Bayer图像Q，执行标准的ISP处理流程，获取白天彩色图像C，对图像C进行压缩、存储、传输等操作；在夜间工作模式下，处理电路(9)开启近红外光源(3)照明、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)，驱动IRCUT移动IR滤光片到彩色图像传感器前端，同步采集单色图像传感器(5)拍摄的灰度图像A和彩色图像传感器(8)拍摄的Bayer图像Q，对Bayer图像Q进行去马赛克处理得到彩色图像B，对灰度图像A和彩色图像B进行图像融合，得到夜间彩色图像C'，再对图像C'进行压缩、存储、传输。
在夜间工作模式下，对灰度图像A与彩色图像B进行融合，得到夜间彩色图像C'的方法操作步骤如下：
第1步：采用图像线性插值方法对彩色图像B进行图像大小变换得到彩色图像B'，使彩色图像B'分辨率与灰度图像A相同；对近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)构成的双目立体成像系统进行标定，获取灰度图像A与彩色图像B'像素坐标映射关系P：(iA,jA)＝P(iB',jB')，其中(iA,jA)、(iB',jB')是灰度图像A和彩色图像B'的像素坐标；
第2步：根据坐标映射关系P，对彩色图像B'进行坐标变换得到彩色图像B”，抽取灰度图像A与彩色图像B”的重叠区域，分别得到灰度图像E和彩色图像D，此时，灰度图像E与彩色图像D视场重合；
第3步：把彩色图像D转换为YUV空间图像DYUV＝{DY,DU,DV}，上标Y、U、V分别表示Y、U、V分量；使用灰度图像E替换Y分量，得到图像将图像转换为rgb颜色空间图像，作为彩色图像C'；图像C'中亮度信息来源于图像E，颜色信息来源于图像D。
与现有技术相比，本发明有益效果是：相比现有低照度彩色摄像机，可在夜间近红外补光情况下，获取彩色图像；相比现有黑光摄像机，本发明从物理源头上提升灰度图像信噪比，并由此增强低照度彩色成像质量。相比现有基于近红外与可见光分光成像的黑光摄像机所拍摄的灰度图像只感知近红外光线，本发明摄像机采用近红外增透镜头和单色图像传感器成像，可同时感知近红外和可见光光线，提升灰度图像信噪比。现有黑光摄像机采用一个镜头、一组分光棱镜、两个分离的成像电路，用于实现同轴分光成像。首先，如图1所示，因为分光棱镜的存在，增加了后焦长度，需要采用长后焦镜头，增加了镜头成本，而本发明灰度或彩色成像光路是标准成像光路，无需采用长后焦镜头，使用常规镜头即可；其次，为了实现同轴分光成像，两个图像传感器成像平面垂直安装，使对焦、装配与固定难度加大，增加制造成本，而本发明将两个图像传感器共面固定在同一块电路板上，再在图像传感器前端安置两个镜头，该制造过程不会引人多余工序和显著增加时间成本；此外，本发明摄像机还不存在黑光摄像机装配过程中对焦困难的问题。需要说明是：虽然本发明摄像机相比现有黑光摄像机增加了1个镜头，但是，所采用的镜头都是常规镜头，相比黑光摄像机需要定制的长后焦镜头，价格便宜很多，并且，现有黑光摄像机中的近红外与可见光分光棱镜也需要定制，其价格远超过常规镜头。因此，综合起来，本发明低照度摄像机生产和制造成本明显低于现有黑光摄像机。
附图说明
图1现有黑光摄像机原理图；
图2本发明低照度彩色摄像机原理图；
图中，1-摄像机机壳，2-光电传感器，3-近红外光源，4-近红外增透镜头，5-单色图像传感器，6-可见光镜头，7-IRCUT，8-彩色图像传感器，9-处理电路，10-供电接口，11-数据接口(11)，12-镜头光轴，13-近红外与可见光分光棱镜。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图2所示，本发明低照度彩色摄像机，包括摄像机机壳(1)、光电传感器(2)、近红外光源(3)、近红外增透镜头(4)、单色图像传感器(5)、可见光镜头(6)、IRCUT(7)、彩色图像传感器(8)、处理电路(9)、供电接口(10)、数据接口(11)。其中，近红外光源(3)的功率为10W，波长为808nm；近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)为C接口，解析度为200万像素，光圈F＝1.2，适应靶面尺寸为1/1.8英寸，焦距为f＝6mm；单色图像传感器采用200万像素MonoCMOS星光级图像传感器，帧率为30fps，彩色图像传感器采用200万像素Bayer CMOS星光级图像传感器，帧率为30fps，单色图像传感器和彩色图像传感器芯片面积为1/1.8英寸；处理电路采用基于FPGA实现，数据接口为网络接口。近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)的光轴平行，水平安置在摄像机机壳前端。近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)的光轴距离g＝50mm。
低照度彩色摄像机工作流程是：处理电路(9)采集光电传感器(2)测量结果v，当测量结果v>t时，t设定为10，摄像机进入白天工作模式，当测量值v<t时，摄像机进入夜间工作模式。
在白天工作模式，处理电路(9)关闭近红外光源(3)、单色图像传感器(5)，驱动IRCUT移开彩色图像传感器前端的IR滤光片，采集彩色图像传感器(8)Bayer图像Q，执行标准的ISP处理流程，获取白天彩色图像C，对图像C进行压缩、存储、传输等操作。
在夜间工作模式下，处理电路(9)开启近红外光源(3)照明、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)，驱动IRCUT移动IR滤光片到彩色图像传感器前端，同步采集单色图像传感器(5)拍摄的灰度图像A和彩色图像传感器(8)拍摄的Bayer图像Q，对Bayer图像Q进行去马赛克处理得到彩色图像B，对灰度图像A和彩色图像B进行图像融合，得到夜间彩色图像C'，再对图像C'进行压缩、存储、传输。
在夜间工作模式下，对灰度图像A与彩色图像B进行融合，得到夜间彩色图像C'的方法操作步骤如下：
第1步：采用图像线性插值方法对彩色图像B进行图像大小变换得到彩色图像B'，使彩色图像B'分辨率与灰度图像A相同；对近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)构成的双目立体成像系统进行标定，获取灰度图像A与彩色图像B'像素坐标映射关系P：(iA,jA)＝P(iB',jB')，其中(iA,jA)、(iB',jB')是灰度图像A和彩色图像B'的像素坐标；
第2步：根据坐标映射关系P，对彩色图像B'进行坐标变换得到彩色图像B”，抽取灰度图像A与彩色图像B”的重叠区域，分别得到灰度图像E和彩色图像D，此时，灰度图像E与彩色图像D视场重合；
第3步：把彩色图像D转换为YUV空间图像DYUV＝{DY,DU,DV}，上标Y、U、V分别表示Y、U、V分量；使用灰度图像E替换Y分量，得到图像将图像转换为rgb颜色空间图像，作为彩色图像C'；图像C'中亮度信息来源于图像E，颜色信息来源于图像D。
Claims (2)
1.一种低照度彩色摄像机，其特征是：由1个摄像机机壳(1)、1个光电传感器(2)、1个近红外光源(3)、1个近红外增透镜头(4)、1个单色图像传感器(5)、1个可见光镜头(6)、1个IRCUT(7)、1个彩色图像传感器(8)、1个处理电路(9)、1个供电接口(10)、1组数据接口(11)构成；
其中，摄像机机壳(1)前端设置两个镜头接口，用于固定近红外增透镜头(1)和可见光镜头(2)，在摄像机机壳前端设置光电传感器(2)；
光电传感器(2)选用可见光传感器，用于测量场景中可见光强度，以此判定是否开启或关闭近红外光源(3)；
近红外光源(3)固定在摄像机壳(1)前方，在低照度情况下，对场景进行补充照明，近红外光源(3)波长范围为800nm～1000nm，照明视场角大于拍摄视场，近红外光源(3)具有控制信号输入接口，并与处理电路(9)连接，由处理电路(9)控制近红外光源开启或关闭；
近红外增透镜头(4)后端设置单色图像传感(5)用于拍摄灰度图像A；
可见光镜头(6)后端设置彩色图像传感器(8)用于拍摄彩色图像B，在彩色图像传感器(8)前端设置IRCUT(7)，用于近红外光源(3)开启照明情况下过滤近红外光；
所述彩色图像传感器(8)为Bayer图像传感器，彩色图像B是由Bayer图像传感器拍摄的Bayer图像Q经图像去马赛克处理得到；
处理电路(9)是嵌入式硬件，可采用ARM、DSP、FPGA、ASIC、单片机等芯片实现；采集电路(9)与光电传感器(2)、近红外光源(3)的控制电路接口、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)、IRCUT(7)、供电接口(10)、数据接口(11)连接，为光电传感器(2)、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)、IRCUT(7)、数据接口(11)供电，完成光电传感器(2)测量信号采集与处理，单色图像传感(5)、彩色图像传感器(8)图像采集，完成ISP处理、图像融合、图像压缩、图像存储、图像传输等操作，进行IRCUT、近红外光源驱动控制；
供电接口(10)与近红外光源(3)、处理电路(9)连接，为近红外光源(3)和处理电路(9)供电；
数据接口(11)用于摄像机控制、数据传输，相关接口包括：BNC、网络、HD-SDI、HDMI。
2.根据权利要求1，低照度彩色摄像机工作流程是：处理电路(9)采集光电传感器(2)测量结果v，取值范围为0～255，当测量结果v>t时，摄像机进入白天工作模式，当测量值v<t时，摄像机进入夜间工作模式，其中t是判定阈值，取值范围为0～255；在白天工作模式，处理电路(9)关闭近红外光源(3)、单色图像传感器(5)，驱动IRCUT移开彩色图像传感器前端的IR滤光片，采集彩色图像传感器(8)Bayer图像Q，执行标准的ISP处理流程，获取白天彩色图像C，对图像C进行压缩、存储、传输等操作；在夜间工作模式下，处理电路(9)开启近红外光源(3)照明、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)，驱动IRCUT移动IR滤光片到彩色图像传感器前端，同步采集单色图像传感器(5)拍摄的灰度图像A和彩色图像传感器(8)拍摄的Bayer图像Q，对Bayer图像Q进行去马赛克处理得到彩色图像B，对灰度图像A和彩色图像B进行图像融合，得到夜间彩色图像C'，再对图像C'进行压缩、存储、传输；
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