CN207283655U - 一种双镜头黑光摄像机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种双镜头黑光摄像机，用于低照度彩色成像。它由摄像机机壳、光电传感器、近红外光源、近红外增透镜头、单色图像传感器、可见光镜头、IRCUT、彩色图像传感器、处理电路、供电接口和数据接口组成。在低照度情况下，使用近红外光源补光照明，采用近红外增透镜头和单色图像传感器拍摄近红外与可见光灰度图像，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可见光彩色图像，对灰度图像和彩色图像进行融合，得到低照度彩色图像。本实用新型可有效提升低照度彩色成像质量、降低低照度彩色摄像机制造成本。
Description
技术领域
本实用新型属于视频监控成像技术领域，特指一种双镜头黑光摄像机。
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，无法实现清晰成像。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，但是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。但是，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，该方法只能获取图像，无法获取视频流。
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(15) 将进入镜头的光线分为近红外光和可见光后，采用两个垂直放置彩色图像传感器(8-1、8-2)，分别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；3)在镜头后端设置了近红外与可见光分光棱镜后，前端使用的镜头需具有较大后焦深度，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；4)为实现同轴成像，使近红外图像与彩色图像视场重合，拍摄清晰对焦图像，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，显著增加摄像机生产成本。
实用新型内容
为了克服现有黑光摄像机灰度图像信噪比低、装配精度要求高、制造成本高等问题，本实用新型公开一种双镜头黑光摄像机。
本实用新型解决上述问题的技术方案是：双镜头黑光摄像机由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。
所述摄像机机壳(1)前端安置光电传感器(2)，光电传感器(2)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)。
所述摄像机机壳(1)前端设置两个镜头座，分别用于固定近红外增透镜头(4)和可见光镜头 (6)。
所述摄像机机壳(1)的两个镜头座后方，分别安置单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)。
所述近红外光源(3)的波长范围为800nm～1000nm，固定在摄像机机壳(1)前方，在低照度情况下，对场景进行补充照明，照明视场角大于拍摄视场。
所述近红外光源(3)具有控制信号输入接口，与处理电路(9)连接，由处理电路(9)控制近红外光源(3)开启或关闭。
所述近红外增透镜头(4)用于汇聚场景中的可见光和近红外光。
所述可见光镜头(6)用于汇聚场景中可见光。
所述单色图像传感器(5)，位于近红外增透镜头(4)后端，用于感知场景中可见光和近红外光，拍摄灰度图像A。
所述彩色图像传感器(8)，位于可见光镜头(6)后端，用于感知场景中可见光，拍摄彩色图像B。
所述IRCUT(7)位于彩色图像传感器(8)前端，用于滤除近红外光。
所述处理电路(9)为嵌入式硬件，采用ARM或DSP或FPGA芯片实现，与光电传感器(2)、近红外光源(3)、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，用于检测光电传感器(2)输入信号，并根据光电传感器(2)输入信号控制近红外光源(3)开启或关闭、IRCUT(7)开启或关闭；控制单色图像传感器(5)进行灰度图像采集、去噪；控制彩色图像传感器(8)进行彩色图像采集、ISP处理、图像去噪；对灰度图像的亮度信息与彩色图像的颜色信息进行融合得到彩色图像；对融合的彩色图像进行压缩、存储，并通过数据接口(11)输出或显示。
所述供电接口(10)与处理电路(9)、近红外光源(3)连接，为处理电路(9)和近红外光源(3) 供电，并通过处理电路(9)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。
所述数据接口(11)与处理电路(9)连接，用于数据传输、图像显示，接口类型包括：HDMI 或HD-SDI或网络。
优选地，彩色图像传感器(8)采用Bayer图像传感器。
优选地，单色图像传感器(5)和彩色图像传感器(8)具有相同成像分辨率、靶面尺寸和像元尺寸。
优选地，单色图像传感器(5)和彩色图像传感器(8)成像平面共面。
优选地，近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)具有相同的焦距、光圈F数、适应靶面尺寸，红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)的光轴(12-1、12-2)平行、光轴间距小于50mm。
优选地，近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)相对于场景竖直放置，使拍摄的横向视场重合。
优选地，为防止近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)焦距变化，在近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)安装锁紧装置(13)，锁紧装置(13)为0形环，套在两个镜头上，通过螺栓(14-1、 14-2)锁定镜头调焦环。
本实用新型双镜头黑光摄像机工作流程是：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移动IR滤光片到彩色图像传感器前端，滤除场景中近红外光，采集彩色图像传感器(8)Bayer图像Q，执行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先进行图像去噪和ISP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'，再对彩色图像C'进行压缩、存储、传输和显示。
与现有技术相比，本实用新型有益效果是：
1)提升低照度彩色成像质量
相比现有黑光摄像机，本实用新型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，本实用新型摄像机，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。灰度图像信噪比提升以后，再以灰度图像作为引导图像对彩色图像进行局部平滑滤波，可增强彩色图像信噪比，再对灰度图像和彩色图像进行融合，可获取高质量低照度彩色图像。
2)摄像机装配简单、生产成本低
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，而本实用新型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，而本实用新型可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，该制造过程不会引入多余工序、不会显著增加时间成本；此外，本实用新型双镜头黑光摄像机不存在现有黑光摄像机装配过程中对焦困难的问题。需要说明是：虽然本实用新型双镜头黑光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，相比现有黑光摄像机需要定制的长后焦镜头，价格更便宜，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，本实用新型双镜头黑光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本实用新型双镜头黑光摄像机原理图；
图3本实用新型双镜头黑光摄像机各单元连接图；
图4镜头锁紧装置示意图；
图5镜头竖直安置及成像视场角示意图，其中(a)是两个镜头竖直安置示意图，(b)是两个镜头竖直安置时，拍摄图像重叠区域示意图，(c)是两个镜头竖直安置时，水平视场角与竖直视场角重叠区域示意图；
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-锁紧装置，14-螺栓，15-近红外与可见光分光棱镜，16-水平视场，17-竖直视场，18-图像重叠区，19-水平视场角、20-竖直视场角。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例1
如图2所示，一种双镜头黑光摄像，由摄像机机壳(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)组成。
如图3所示，供电接口(10)与近红外光源(3)、处理电路(9)连接，处理电路(9)与光电传感器(2)、近红外光源(3)、单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)、IRCUT(7)和数据接口(11) 连接。
其中，近红外光源(3)的功率为30W，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Mono CMOS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)的光轴距离为50mm。
为防止近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)焦距变化，在近红外增透镜头(4)和可见光镜头 (6)安装锁紧装置(13)。如图4所示，锁紧装置(13)为0形环，套在2个镜头上，通过螺栓(14-1、 14-2)锁定镜头调焦环。
双镜头黑光摄像机工作流程是：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移动IR滤光片到彩色图像传感器前端，滤除近红外光，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、传输和显示。
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，滤除近红外光，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、传输和显示。
实施例2
与实施例1不同之处在于，所选近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)的接口变为M12，其他参数不变；单色和彩色图像传感器选用1/2.9英寸星光级图像传感器；图像传感器光心距离和近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)的光轴距离g＝26mm。
在拍摄远距离对象时，比如5米处，两个镜头光轴平行、光轴距离为26mm，可以把两个镜头光心近似为同心，可增加拍摄图像A和图像B视场重叠范围，并且，拍摄图像A和拍摄图像B可以近似为平移变换，可降低图像A与图像B进行融合时图像坐标变换复杂度。
实施例3
与实施例1不同之处于，如图5(a)所示，近红外增透镜头(4)、可见光镜头(6)竖直安置在摄像机机壳上。同样地，单色图像传感器、彩色图像传感器也竖直安置。此时，如图5(c)所示，近红外增透镜头(4)的水平视场角(19-1)与可见光镜头(6)的水平视场角(19-2)重合，近红外增透镜头(4)的竖直视场角(20-1)与可见光镜头(6)的竖直视场角(20-2)部分重叠；与之对应的，如图5(b)所示，近红外增透镜头(4)拍摄图像A的水平视场(16-1)与可见光镜头(6)拍摄图像B的水平视场(16-2)完全重合，竖直视场(17-1、17-2)部分重叠，图像A与图像B的重叠区域为18。由此可见，将两个镜头竖直安置，可有效利用拍摄图像宽度大于高度的特点，增大图像重叠区(18)。
Claims (7)
1.一种双镜头黑光摄像机，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；
所述摄像机机壳(1)前端安置光电传感器(2)，光电传感器(2)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)；
所述摄像机机壳(1)前端设置两个镜头座，分别用于固定近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)；
所述摄像机机壳(1)的两个镜头座后方，分别安置单色图像传感器(5)、彩色图像传感器(8)；
所述近红外光源(3)的波长范围为800nm～1000nm，固定在摄像机机壳(1)前方，在低照度情况下，对场景进行补充照明，照明视场角大于拍摄视场；
所述近红外光源(3)具有控制信号输入接口，与处理电路(9)连接，由处理电路(9)控制近红外光源(3)开启或关闭；
所述近红外增透镜头(4)用于汇聚场景中的可见光和近红外光；
所述可见光镜头(6)用于汇聚场景中可见光；
所述单色图像传感器(5)位于近红外增透镜头(4)后端，用于感知场景中可见光和近红外光，拍摄灰度图像A；
所述彩色图像传感器(8)位于可见光镜头(6)后端，用于感知场景中可见光，拍摄彩色图像B；
所述IRCUT(7)位于彩色图像传感器(8)前端，用于滤除近红外光；
所述处理电路(9)为嵌入式硬件，采用ARM或DSP或FPGA芯片实现，与光电传感器(2)、近红外光源(3)、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，用于检测光电传感器(2)输入信号，并根据光电传感器(2)输入信号控制近红外光源(3)开启或关闭、IRCUT(7)开启或关闭；控制单色图像传感器(5)进行灰度图像采集、去噪；控制彩色图像传感器(8)进行彩色图像采集、ISP处理、图像去噪；对灰度图像的亮度信息与彩色图像的颜色信息进行融合得到彩色图像；对融合的彩色图像进行压缩、存储，并通过数据接口(11)输出或显示；
所述供电接口(10)与处理电路(9)、近红外光源(3)连接，为处理电路(9)和近红外光源(3)供电，并通过处理电路(9)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；
所述数据接口(11)与处理电路(9)连接，用于数据传输、图像显示，接口类型包括：HDMI或HD-SDI或网络。
2.根据权利要求1所述的双镜头黑光摄像机，其特征是：彩色图像传感器(8)采用Bayer图像传感器。
3.根据权利要求1所述的双镜头黑光摄像机，其特征是：单色图像传感器(5)和彩色图像传感器(8)具有相同成像分辨率、靶面尺寸和像元尺寸。
4.根据权利要求1所述的双镜头黑光摄像机，其特征是：单色图像传感器(5)和彩色图像传感器(8)成像平面共面。
5.根据权利要求3或4所述的双镜头黑光摄像机，其特征是：近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)具有相同的焦距、光圈F数、适应靶面尺寸，红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)的光轴(12-1、12-2)平行、光轴间距小于50mm。
6.根据权利要求5所述的双镜头黑光摄像机，其特征是：近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)相对于场景竖直放置。
7.根据权利要求1所述的双镜头黑光摄像机，其特征是：在近红外增透镜头(4)和可见光镜头(6)安装锁紧装置(13)，锁紧装置(13)为0形环，套在两个镜头上，通过螺栓(14-1、14-2)锁定镜头调焦环。
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