Camera Nhìn Đêm Có Màu Với Công Nghệ DARKFIGHTER X Technology

29/02/2020 - Lượt xem 227

 Có gì trong Công nghệ DarkFighter X Technology Của Hikvision

Nội Dung Chính

1. Điều kiện thực tế và yêu cầu giám sát

2. Các công nghệ được sử dụng

   2.1 Cảm biến DarkFighter Night Vision mới

   2.2 Ống kính Darkeye mới

       2.2.1 Sử dụng thấu kính phi cầu

       2.2.2 Lớp phủ chống phản xạ Anti-Reflection Coating

       2.2.3 Khẩu độ siêu lớn -  Ultra-Large Aperture

       2.2.4  Khẩu độ tĩnh siêu lớn - Constant Large Aperture

   2.3 ISP mới tự thích nghi Self-Adaptive ISP Technologies

       2.3.1 Nâng cao chất lượng hình ảnh tự động

       2.3.2 Phơi sáng nhiều mức Multi-Exposure 

       2.3.3 Tự động kiểm soát độ lợi thông minh với Smart Gain Control

       2.3.4 Tự động tăng cường độ chi tiết và giảm nhiễu

   2.4  Giảm nhiễu từ phần cứng từ chính camera

   2.5  Thấu kính chống mờ với Anti-Fogging Glass

   2.6 Sử dụng vật liệu dẫn và tản nhiệt dầu không qua Silicone

3. Những ứng dụng thực tế

4. Kết luận

So sánh hình ảnh từ camera

Hình ảnh từ Camera DarkFighter X của HIKVISION

Cách Camera Sử dụng công nghệ Darkfighter X cải thiện khả năng quan sát thiếu sáng

1. Điều kiện thực tế và yêu cầu giám sát

Với nhu cầu về giám sát an ninh an toàn và đặc biệt là ở các thành phố lớn trên thế giới, việc giám sát video chất lượng cao là cần thiết, giám sát 24/7 đã trở thành một yêu cầu cơ bản. Vì hầu hết các hành vi phạm tội xảy ra vào ban đêm, cải thiện chất lượng video vào ban đêm là một trong những mối quan tâm quan trọng nhất của ngành giám sát video

2. Các công nghệ được sử dụng

Lux là đơn vị chiếu sáng, và điều kiện ánh sáng vào ban đêm thường nhỏ hơn 5lux. Ít ánh sáng có nghĩa là chất lượng hình ảnh kém hơn. Các nhà sản xuất đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như

  • Tăng khuếch đại tín hiệu cảm biến nhận được
  • Màn trập chậm thu được nhiều ánh sáng hơn
  • Cảm biến lớn hơn hoặc ống kính tốt hơn

Để cải thiện chất lượng hình ảnh trong các cảnh có độ sáng lux thấp. Với Hikvision, nhà sản xuất tin tưởng vào việc cải thiện chất lượng của các thành phần trong máy ảnh của họ thay vì sử dụng các kỹ thuật bù khác. Vì lý do này, máy ảnh Hikvision DarkFighter Series  đưa ra giải pháp kết hợp gồm

Cảm biến lớn hơn - Thiết kế ống kính tốt hơn - Cùng với nhiều công nghệ tiên tiến để cung cấp hình ảnh ban ngày tuyệt vời, cũng như hình ảnh màu chất lượng cao trong môi trường tối. Bài viết này là chúng ta sẽ cùng tìm hiểu  về công nghệ Hikvision’s DarkFighter technology

 2.1 Cảm biến DarkFighter Night Vision mới

Cảm biến hình ảnh là thành phần cốt lõi của máy ảnh. Chất lượng cảm biến xác định chất lượng hình ảnh, đặc biệt là trong môi trường thiếu sáng. Máy ảnh Hikvision DarkFighter Series sử dụng các cảm biến ½-inch được thiết kế đặc biệt, cho độ nhạy sáng tốt hơn, tỷ lệ SNR - ( Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu ) cao và tăng dải động rộng hơn WDR (Dải chống ngược sáng thực rộng hơn) . Vùng pixel đơn của chúng lớn gần gấp đôi so với cảm biến thông thường và cải thiện đáng kể lượng ánh sáng truyền qua, đây là thành phần thiết yếu ảnh hưởng đến hiệu suất thu nhận ánh sáng trong điều kiện ánh sáng yếu

Hình 1 Vùng pixel đơn

Kích thước điểm ảnh với Photodiode lớn hơn

Đồng thời, thiết kế DarkFighter thay đổi cấu trúc bằng cách sửa đổi thứ tự của lớp cảm quang và lớp kim loại trong cảm biến. Các cảm biến DarkFighter di chuyển lớp cảm quang lên trên cùng để giảm phản xạ ánh sáng và tăng mức sử dụng ánh sáng. Theo cách này, độ sáng cải thiện 30% . Hikvision gọi loại cảm biến này là cảm biến được chiếu sáng ở mặt sau “Backside illuminated Sensor.”

=> Khó sản xuất hơn nhưng hiệu suất hoạt động cao hơn

Hình 2 Mặt cắt ngang cảm biến Pixel, Tiêu chuẩn (Trái) và Tối ưu (Phải)

Cảm biến công nghệ mới Backside illuminated Sensor

=> Và kết quả là ( Độ nhạy đã đạt ngưỡng 0.001-0.0005 Lux )

2.2 Ống kính Darkeye mới

2.2.1 Sử dụng thấu kính phi cầu

  • Quang saiSắc sai và cách khắc phục
  • Một ống kính máy ảnh tiêu chuẩn sử dụng ống kính hình cầu có thể gây ra quang sai và sắc sai của hình ảnh vì hình dạng của chúng. Trong máy ảnh DarkFighter và ống kính DarkEye, Hikvision sử dụng ống kính phi cầu để giảm quang sai và sắc sai của hình ảnh. Không giống như một thấu kính hình cầu hoặc một thấu kính phẳng,

### Một thấu kính phi cầu có bề mặt dạng tự do được thiết kế và chế tạo có mục đích giảm hiện tượng quang sai và sắc sai

Hình 3 Một thấu kính hình cầu và một thấu kính phi cầu

Sử dụng thấu kính phi cầu để xử lí hiện tượng quang sai và sắc sai

Điều này cho phép ống kính xử lý ánh sáng từ các điểm khác nhau trên bề mặt và tập trung ánh sáng đó chính xác hơn để cải thiện độ nét của hình ảnh khi chúng hội tụ trên cảm biến. Sẽ chỉ với một ống kính phi cầu thay vì một vài ống kính hình cầu, máy ảnh DarkFighter giải quyết vấn đề quang sai hình ảnh và cải thiện độ truyền sáng, sau đó cải thiện độ sáng của hình ảnh vào ban đêm

 2.2.2 Lớp phủ chống phản xạ Anti-Reflection Coating

Ánh sáng có thể mất cường độ do phản xạ khi đi vào một môi trường khác. Phủ lên bề mặt ống kính làm giảm tốc độ phản xạ của ánh sáng khả kiến ​​xuống dưới 3% . Điều này cũng cải thiện hiệu ứng chống phản xạ trong phổ cận hồng ngoại (> 700nm)

  • Tại sao lại cần thiết là tại bởi vì đây là phổ ánh sáng chủ yếu chúng ta thu được trong điều kiện ánh sáng yếu và 1 điểm nữa là cảm biến Darkfighter hoạt động hiệu quả hơn ở bước sóng cận hồng ngoại

Công nghệ phủ nhiều lớp AR (Anti-Reflection chống phản xạ) có thể tối đa hóa độ truyền ánh sáng của ống kính và hạn chế độ phản xạ của ánh sáng (bao gồm ánh sáng nhìn thấy và ánh sáng phổ hồng ngoại gần) xuống dưới dưới 0,5%. Với công nghệ này, hiệu suất hình ảnh dưới ánh sáng yếu được cải thiện và cũng có thể ngăn ngừa ảnh hưởng của ánh sáng đi lạc và hiệu ứng hào quang từ đèn xe hoặc đèn đường. Đồng thời, do độ truyền ánh sáng của ánh sáng cận hồng ngoại được tăng cường, chúng ta có thể đạt được

  • Hiệu suất IR tăng lên mà không làm tăng hiệu suất của đèn IR

Hình 4 Truyền ánh sáng của các công nghệ phủ khác nhau - Đồ thị phản xạ theo bước sóng của 2 loại ống kính

 2.2.3 Khẩu độ siêu lớn -  Ultra-Large Aperture

Khẩu độ (f/stop) là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ sáng của hình ảnh. Khẩu độ càng lớn, ánh sáng tới cảm biến càng nhiều trong cùng thời gian. Ống kính khẩu độ không đổi Hikvision sử dụng khẩu độ lớn hơn (trong một số trường hợp lớn bằng ƒ/0,95) và có thể cung cấp hình ảnh sáng hơn với ít nhiễu hơn và nhiều chi tiết hơn. Sự khác biệt trong đánh giá f/stop là rất quan trọng.

Ví dụ: khi so sánh ống kính f / 0.95 so với ống kính f / 1.5, cần gấp đôi lượng ánh sáng cho cái sau để đạt được cùng độ sáng trong ảnh

Hình 5 Ảnh tầm nhìn ban đêm của ống kính ƒ / 1.5 (trái) và ống kính ƒ / 0.95 (phải)

 tăng khẩu độ để hình ảnh sáng hơn

2.2.4  Khẩu độ tĩnh siêu lớn - Constant Large Aperture

Giá trị khẩu độ được định nghĩa của ống kính thường đề cập đến giá trị khẩu độ khi ống kính lấy nét ở đầu góc rộng. Khi ống kính tập trung vào đầu tele, độ dài tiêu cự tăng và khẩu độ giảm. Thấu kính khẩu độ không đổi Hikvision vẫn giữ nguyên giá trị khẩu độ ngay cả khi điều chỉnh độ dài tiêu cự. Nói cách khác, không cần phải làm chậm tốc độ màn trập để cho phép nhiều ánh sáng đến được cảm biến hơn. Làm chậm màn trập gây ra bóng mờ, dẫn đến hình ảnh không thể sử dụng được. Tuy nhiên, tốc độ màn trập chậm hơn là không cần vì chất lượng cao của các bộ phận, cho phép nhiều ánh sáng đến được cảm biến hơn. Do đó, hình ảnh vẫn sáng khi độ dài tiêu cự thay đổi.

Hình 6 Khẩu độ không đổi

Khẩu độ siêu lơn mà không cần thay đổi khẩu và tốc độ màn trập

2.3 ISP mới tự thích nghi - Self-Adaptive ISP Technologies

2.3.1 Nâng cao chất lượng hình ảnh tự động

  • Một cảm biến máy ảnh truyền tuyến tính tín hiệu quang-điện, trong khi mắt người cảm nhận được ánh sáng phi tuyến tính. Máy ảnh Hikvision DarkFighter có thể tăng cường tín hiệu hình ảnh tương tự như mắt người, bằng cách điều chỉnh đường cong gamma một cách phi tuyến tính.

Hình 7 Phản ứng ánh sáng phi tuyến của mắt người

Hình 8 Hình ảnh với các đồ thị đường cong Gamma khác nhau

  • Công nghệ nâng cao hình ảnh phi tuyến tự thích ứng của Hikvision dựa trên sự chiếu sáng. Công nghệ áp dụng đường cong gamma tự thích ứng để nâng cao hình ảnh để có thêm chi tiết trong môi trường chiếu sáng thấp
  • Thông số chiếu sáng quyết định đường cong gamma. Các độ sáng khác nhau tương ứng với các giá trị khác nhau, do đó tạo ra đường cong gamma tốt nhất

=> Khi máy ảnh ở trong môi trường tối, đường cong gamma sẽ tự động tăng lên để tăng độ sáng của vùng tối

 2.3.2 Phơi sáng nhiều mức - Multi-Exposure 

Khi máy ảnh ở trong môi trường tối, độ rọi thấp thường dẫn đến việc sạc không đủ trên cảm biến và giảm tỷ lệ SNR. Để tăng độ sáng hình ảnh và cường độ tín hiệu, máy ảnh Hikvision DarkFighter sử dụng công nghệ Multi-Exposure , giúp tăng khả năng tích lũy điện tích. Xem ảnh dưới đây. Hikvision kết hợp điều khiển khuếch đại thông minh với công nghệ đa phơi sáng và phát triển thuật toán điều chỉnh tự động tương tự như thị lực của con người

 2.3.3 Tự động kiểm soát độ lợi thông minh với Smart Gain Control

  • Giá trị khuếch đại đề cập đến sự khuếch đại của tín hiệu hình ảnh. Khi máy ảnh ở trong môi trường chiếu sáng thấp, mức tăng có thể được tăng lên để khuếch đại cường độ tín hiệu và cải thiện độ sáng của hình ảnh. Tuy nhiên, nếu mức tăng được tăng quá nhiều, nhiễu hình ảnh cũng sẽ tăng theo
  • Cách làm của Hikvision, để có được chất lượng hình ảnh tốt nhất vào ban đêm là kiểm soát linh hoạt nhiều giá trị khuếch đại theo hình ảnh thực tế bằng cách xem xét độ ổn định của cảm biến, độ nhiễu hình ảnh và màu sắc. Kiểm soát mức tăng là rất quan trọng trong việc giảm băng thông và lưu trữ

Hình 9 Tắt phơi sáng (Trái) và Bật (Phải)

Hình 10 Luồng điều khiển khuếch đại thông minh

 2.3.4 Tự động tăng cường độ chi tiết và giảm nhiễu

  • Giới hạn bởi tỷ lệ SNR , nhiễu trong hình ảnh đầu ra từ cảm biến có thể được loại bỏ. Trong môi trường tối, máy ảnh sẽ khuếch đại tín hiệu để cải thiện độ sáng và độ nét của hình ảnh, nhưng nhiễu phụ cũng được khuếch đại.
  • Module DNR 3D trong ISP có thể giảm nhiễu cả về mặt không gian và thời gian. Để có được hình ảnh có độ phân giải cao và độ nhiễu thấp, phải tăng cường cân bằng hình ảnh và mức giảm nhiễu.
  • Nhưng yếu tố cốt lõi của công nghệ DarkFighter là thuật toán tăng cường chi tiết tự thích ứng và thuật toán giảm nhiễu, có thể tự động điều chỉnh hình ảnh, tương tự như cách mà mắt người thực hiện. Thuật toán này dựa trên nội dung hình ảnh và mức tăng, và nó có thể điều chỉnh hình ảnh ở mức chiếu sáng thấp để có hiệu quả tốt nhất.

 Hình 11 So sánh các thông số điều chỉnh hình ảnh khác nhau

giảm nhiễu trên camera hikvision

2.4  Giảm nhiễu từ phần cứng từ chính camera

Ngoài việc giảm nhiễu phần mềm, Hikvision triển khai công nghệ triệt tiêu tần số đầy đủ (full-frequency suppression technology), một phương pháp giảm nhiễu phần cứng, để giảm nhiễu hơn nữa

  • Đầu tiên, công nghệ triệt tiêu tần số đầy đủ giúp ngăn chặn nhiễu của điện thoại dữ liệu, ảnh hưởng đến cảm biến, do đó đảm bảo tín hiệu hình ảnh nhiễu hơn trong môi trường thiếu sáng
  • Thứ hai, chip điện giải phóng nhiễu tĩnh ở các nhiệt độ khác nhau để giảm ảnh hưởng nhiễu ngẫu nhiên thông qua việc sử dụng nguồn điện tuyến tính với lớp đồng dày hơn, giới hạn cường độ nhiễu tĩnh trong phạm vi 20μV (bình phương trung bình - 10 Hz đến 100 KHz)
  • Cuối cùng, để tránh nhiễu gây ra bởi nhiễu xuyên âm tương tự và nhiễu kỹ thuật số, cách ly hỗn hợp dây và kỹ thuật số tương tự Hikvision đã làm giảm nhiễu và cải thiện chất lượng video.

Hình 12 Hình ảnh bình thường

 

2.5  Thấu kính chống mờ với Anti-Fogging Glass

Để đảm bảo định nghĩa hình ảnh vào ban đêm, các biện pháp chống mờ được thực hiện bên trong bong bóng máy ảnh. Máy ảnh Hikvision DarkFighter sử dụng phương pháp chống mờ sử dụng nhiều lớp phủ. Các lớp phủ là ưa nước và có thể làm giảm sức căng bề mặt của nước. Ngay cả trong môi trường lạnh, có một hiệu ứng chống sương mù mở rộng.

Hình 13 Kết quả thử nghiệm của kính chống mờ (trái) và kính thường (phải)

Hình ảnh thử nghiệm của kính chống mờ và kính bình thường được hiển thị dưới đây. Các mẫu thủy tinh được đặt năm cm trên mặt nước nóng 60 ° C (140 ° F) trong 15 phút

Hình 15 Ảnh máy ảnh với Kính chống mờ (Trái) và Kính thường (Phải)

2.6 Sử dụng vật liệu dẫn và tản nhiều dầu không qua Silicone

Nhiệt độ cảm biến ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hình ảnh. Khi nhiệt độ cảm biến quá cao, nhiễu hình ảnh sẽ tăng và ảnh hưởng đến tầm nhìn ban đêm của máy ảnh. Để có được chất lượng hình ảnh tốt, Hikvision sử dụng vật liệu dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt cao, khả năng chịu nhiệt cực thấp và không có dầu silicon. Nó có thể nhanh chóng hấp thụ nhiệt, xóa mọi điểm nóng cảm biến và truyền nhiệt sang tấm kim loại, giúp mở rộng bề mặt tản nhiệt. Vật liệu Giao diện Nhiệt (TIM) The Thermal Interface Material có độ cứng thấp và thuộc tính tỷ lệ nén cao, như được chỉ ra trong Hình 17. Hình minh họa cho thấy ít thay đổi của TIM theo các tỷ lệ nén khác nhau và do đó giảm thiểu sự thay đổi hình dạng của tấm PCB và bất kỳ sự mất nét liên quan nào.

Hình 16 Dẫn nhiệt và tản nhiệt dầu không silicon

Hình 17 Đồ thị tỷ số nén

Hình 18 Ảnh được chụp bằng iPhone 6s (Trái) và Máy ảnh DarkFighter (Phải)

hình ảnh từ camera Darkfighter x

3. Những ứng dụng thực tế

Công nghệ DarkFighter đã được áp dụng cho các máy ảnh khác nhau. Công nghệ vượt trội trong bất kỳ môi trường chiếu sáng thấp nào đòi hỏi phải giám sát video chất lượng cao. Do đó, máy ảnh DarkFighter Series thường được lắp đặt trong bãi đỗ xe, trường học, sân bay, nhà máy, khách sạn, bảo tàng hoặc bất kỳ khu vực nào có ánh sáng là một thách thức

4. Kết luận

Công nghệ cốt lõi của Camera DarkFighter

  • Sử dụng cảm biến lớn hơn
  • Khẩu độ ống kính lớn hơn
  • Công nghệ điều khiển khuếch đại thông minh để cải thiện đáng kể hiệu suất hình ảnh vào ban đêm
  • Cải thiện giảm nhiễu trong phần cứng và phần mềm có hiệu quả giảm nhiễu hình ảnh trong các cảnh chiếu sáng thấp. Việc giảm nhiễu này cũng sẽ giữ kích thước tệp và yêu cầu lưu trữ ở mức tối thiểu, điều này cũng liên quan đến việc tiết kiệm chi phí đáng kể
  • Cuối cùng, hệ thống dẫn nhiệt và tản nhiệt chống sương mù và không silicon giúp tăng cường chi tiết của hình ảnh và đảm bảo máy ảnh DarkFighter mang lại hình ảnh màu sắc rõ nét, chất lượng cao vào ban đêm, do đó cung cấp khả năng giám sát video hiệu quả cao suốt ngày đêm.