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由生物链的弱肉强食看监控设备之未来发展趋势

2019-09-23 10:10 来源:智安物联网 作者:潘一大

仿生学,一门既古老又年轻的学科。人们研究生物体的结构与功能工作的原理,并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技,创造出适用于生产,学习和生活的先进技术。

而人类正是靠着将现有的优势进行不断创新与升级,加之不断的“拿来主义”将各种其他生物的优秀特性通过工具进行模仿与升级。当人类在种种动物最擅长的领域超过他们之后,人类便一跃成为了地球食物链的天花板。

那么人类发明创造出种种工具之前能威胁人类的动物有很多很多,那又是如何逃避它们的捕猎呢?答案很简单——靠视觉。

生物想要对外物的视觉情景做出感知需要通过眼睛对于光线的处理。我们人类拥有三色的视觉,这就意味着在人类眼中可以呈现出三种光受体,也就是视锥感知到的红绿蓝三种。还有另一种光受体,叫做视杆细胞,能够感知到少量的光线,使得在夜晚我们也能看到微弱的光源。

而动物们眼睛处理光的方式就与我们人类不同,有些动物只能感知到两种光受体,这会让它们成为色盲。有些动物却可以感知到四种甚至更多。而这就从先天上定下了他们在食物链中的地位,吃与被吃。

有趣的是,随着时代的发展,因为人们急切地需求一种在自己视野之外能看管自己财产的工具,所以监控设备便承运而生。而最令人惊奇的是,纵观监控系统由“看得见”到“看得清”再到“看得懂”的发展历程,冥冥中似乎又将视觉之于食物链的影响以一种另类的方式又为人们演示了一次。

监控设备这一路上暗合“天数”的演变,且听笔者为各位看官一一道来。

其一、陆地食物链的底层——草食动物(看得见)

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马眼中的世界(模拟)

以对人类农业生产、交通运输和军事等活动作用最大的马为例,马可以说是草食动物里视力差的代表,不但是近视眼,而且马还看不到和我们一样多的颜色。它们的世界主要是由灰色、黄色和蓝色组成的。同时马对静态物的视觉感受不如动态物,由于眼轴的长度不良,物象很难在视网膜上形成焦点,看物体只能形成模糊的图像。而作为马最重要的感知器官,视力的不足让它们沦为捕猎者主要的口粮之一。

而对比监控设备,马的视力同其在生物链中的地位更像是第一代的传统模拟闭路电视监控。因其最主要的限制因素就是录像质量不高,同时录像质量随拷贝数量的增加而降低。尤其是夜晚的监控画面,要么是漆黑一片,要么经过有限的几次拷贝之后,甚至会给人一种“十米之外雌雄莫辨,二十米之外人畜难分”的既视感,这也是第一代的传统模拟闭路电视监控系统几近“不存于世”的原因。

其二、陆地顶尖猎食者——猫科动物(看得见→看得清)

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人类与猫科动物夜间眼中世界的对比(模拟)

谈起猫科动物,猫科动物可以说是陆地上最除人类外最强的捕食者之一,同等重量下绝无敌手。猫是一种二色的视觉动物,它们眼中只有红绿色,它们的视觉分辨率比人类低,这也就意味着猫看到的物体是比我们人类看到的要模糊很多。猫色彩感的牺牲换取的是它超级强大的夜视能力。在黑暗中,感知色彩的视锥细胞就开始罢工,这个时候,视网膜中的视杆细胞就上场,这种细胞无法感知色彩,因而在黑夜里我们看到的东西都是黑白的。猫的视杆:视锥细胞的比例是25:1,而人类只有4:1,因次当时间切换到黑夜,猫就变得比人类更为灵敏,而且它的瞳孔在昏暗中可扩大至眼球表面的90%,微弱的光亮就足够它们觅取猎物。

可能不用我说大家都发现了,自2010年开始,在监控前端设备中,图像传感器方面CMOS对CCD形成大范围的替代并且像素密度持续提升,光学镜头方面也同步进行着分辨率提升和变焦倍率的增大,并且编码压缩算法的迭代进步缓解了采集内容的高清化对于网络带宽和后端存储的压力,以上多方面因素共同推动下,安防监控系统进行了持续的高清化迭代。

加之光感传感器灵敏度的飞速提升与红外夜视传感器的应用让红外线夜摄能够在全黑(0 Lux)环境下进行拍摄,甚至连肉眼也不能分辨的物体,现在也可以清晰地拍摄下来。因为监控设备用CCD感应所有光线(可见光、红外线和紫外线等),这就造成所拍摄影像和我们肉眼只看到可见光所产生的影像很不同。为了解决这个问题,监控设备在镜头和CCD之间加装了一个红外滤光镜,其作用就是阻挡红外线进入CCD,让CCD只能感应到可见光,这样就使数码摄像机拍摄到的影像和我们肉眼看到的影像相一致了。猫科动物这种优秀的夜间视觉特得以以在监控设备上得以重现。

但是夜摄功能的一个主要缺点是双色拍摄,或者黑白,或者偏绿,拍出来的图像噪点很大。使用这种夜摄功能,能够很好地“看得见”物体,但是离“看得清”物体还很远。

其三、动物界视力的天花板——鹰(看得清)

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人类与鹰的视力对比(模拟)

不同于人类,鸟类是四色视觉动物。它们的四种视锥细胞能够让它们和人类一样看到红绿蓝,甚至还能比人类多看到紫外光。一些捕食鸟类有着比人类更锐利的分辨率,有资料称鹰眼的分辨率是人类的2.5倍。

再眼睛结构上,人类每只眼睛的视网膜上是有一个凹槽的,这个叫做中央凹,而老鹰的眼睛里的中央凹有两个。这两个中央凹一个用来向前方看,一个用来看侧方。这就导致了老鹰的视觉范围很宽广,除此之外老鹰每一个中央凹能看到东西的细胞都比人类高出六七倍。一般可以用双眼扫描13平方公里内的猎物。同时它既是远视眼又是近视眼,他们能从2000多米的高空俯视地面,通过不断的调节视距和焦点,就可以看到很多细节,方便捕捉猎物(像不像是自动变焦技术)。

分辨率之于监控设备也是一样,如果画面不清晰,那么夜间摄像又有什么意义?随着H.265编码技术使用后,所拍摄画面的清晰度较之以往更为优秀,只要解决红外线夜摄技术的痛点让夜摄画面不再只是单调的两色,那么离“看得见”就不远了。这个阶段的监控设备以海康威视子公司萤石为例,其C3C、C3W等设备靠2颗大功率暖光灯补光,进而实现夜间全彩。同时基于现实环境智能感光,采取智能PQ技术调节画面亮度,避免了人靠近时的曝光过度的情况保证人形区域清晰可见。

但仅仅是补光就够了么?要知道摄像补光是暖光好还是冷光好至今争议未休,何况补光灯所发出的光属于可见光,隐蔽性较低,不宜用于隐蔽监控。那么针对于这些痛点,萤石研发的C3X/C4X/C5X这类高清双摄设备则解决了这些痛点。200万/400万/500万像素保证了监控画面的清晰度,同时双senser架构+双摄像头的设计分别感知色彩和亮度,加之萤石双光谱图像融合算法将两边图像深度融合以保证画面质量,让黑夜中的一切清晰可见。

结语

纵观监控设备的发展史,“看得见”、“看得清”、“看得懂”演变进程之间其实是互为基石而非花开两朵各表一枝。就好比一个三千度近视的人摘下眼镜,无论看的多懂,若是视野里万物自带“马赛克”又有什么用呢?

而当监控设备的发展史,以一种令人惊奇的方式又再次诠释了大自然的规律,那我们是不是也可以得出这样一个结论,动物的进化史中的优胜劣汰,在监控设备的演变史中亦会如此。如同第一代监控设备如同进化史上灭绝的动物一样消声觅迹,只能在资料中找到存在的身影一样。那么今后民用领域的黑白夜视产品大多都会逐渐被全彩产品取代也是可以预见的,如同大自然中的食物链一般,落后就要挨打是一个亘古不变的真理。

责任编辑:潘一大