寬動態(tài)攝像機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

寬動態(tài)攝像機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

源于斯坦福大學(xué)的PiximDPS成像技術(shù)，申請了56項(xiàng)專利，其中42項(xiàng)已經(jīng)生效。世界著名攝像機(jī)制造商池上公司(Ikegami)采用該技術(shù)及其廣播級攝像機(jī)部分技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控攝像機(jī)，2005年10月推出池上ISD-A10攝像機(jī)，一經(jīng)問世它就以比傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)優(yōu)異的寬動態(tài)效果、色彩真實(shí)還原及高清晰度，得到歐美金融機(jī)構(gòu)、安全行業(yè)等用戶的廣泛好評。

??? 一、寬動態(tài)攝像機(jī)發(fā)展過程

??? 安防行業(yè)是一個發(fā)展迅速的市場,通過視頻監(jiān)控可以看出這個市場的廣闊前景和成長情況。視頻監(jiān)控市場包括攝像機(jī)、監(jiān)視器、數(shù)字錄像機(jī)、音視頻矩陣、畫面處理器等產(chǎn)品。近期世界范圍內(nèi)的一些事件促進(jìn)了在視頻監(jiān)控產(chǎn)品需求的增長，尤其是對具有高品質(zhì)視頻圖像產(chǎn)品的需求。

??? 在監(jiān)控攝像機(jī)的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景。出于安全考慮，CCD攝像機(jī)被安裝在需要監(jiān)控的室內(nèi)外，由于在同一位置往往會面臨多種照明條件，很多地方照明條件分為日光和人工照明的混合光，并在不同時段下出現(xiàn)明暗反差非常大、背光等情況，如在銀行儲蓄所、重要場所出入口等，因?yàn)閺拇巴馍淙氲膹?qiáng)光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對當(dāng)時室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時反差很大的室內(nèi)外場景清晰地拍攝下來。然而對于保安行業(yè)來說，要求在復(fù)雜的光線條件下，拍攝出清晰畫面，不丟失細(xì)節(jié)。普通攝像機(jī)由于受CCD感光特性所限制，拍攝圖像會出現(xiàn)背景過亮前景過暗，或背景清晰前景過暗及前景適合背景過亮的情況，傳統(tǒng)攝像機(jī)一般會采用背光補(bǔ)償技術(shù)或在室內(nèi)外放置兩臺攝像機(jī)來適應(yīng)較大的光線反差，但效果不太理想。針對這種情況寬動態(tài)技術(shù)誕生了。

??? 1977年松下公司推出第一代寬動態(tài)攝像機(jī)，它的寬動態(tài)范圍是40倍。到了1999年松下公司推出第二代超級寬動態(tài)攝像機(jī)，它的寬動態(tài)范圍達(dá)到80倍（48dB）。2005年4月松下的第三代超級寬動態(tài)攝像機(jī)問世了，它的寬動態(tài)范圍達(dá)到160倍（54dB）。目前寬動態(tài)技術(shù)主要由國外一些大的攝像機(jī)制造商掌握，雖然各家的技術(shù)方式方法不同但在使用CCD實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)的原理基本一致。寬動態(tài)的主要技術(shù)是采用特殊DSP（數(shù)字信號處理）電路，對明亮部分進(jìn)行最合適的快門速度曝光，然后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個圖像進(jìn)行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分都可以看得清楚，這需要很高的技術(shù)使色彩和清晰度損失最小。然而由于CCD的特性所限制，攝像機(jī)寬動態(tài)范圍最大能到60dB左右。

??? 在2005年10月，池上公司推出采用Pixim的DPS成像技術(shù)的超寬動態(tài)攝像機(jī)ISD-A10，它的動態(tài)范圍高達(dá)120dB,并具有非常好的色彩還原和清晰度。它標(biāo)志著寬動態(tài)技術(shù)有了巨大的突破，新一代寬動態(tài)攝像機(jī)已經(jīng)站在更高一層的起點(diǎn)上向前跨出一大步。

??? 二、Pixim的DPS技術(shù)超級寬動態(tài)攝像機(jī)問世

740)this.width=740" align=absMiddle vspace=2 border=undefined>

??? 在2005年9月美國佛羅里達(dá)州奧蘭多ASIS國際安防展會上，一項(xiàng)基于CMOS的新技術(shù)Pixim的DPS DigitalPixelSystem?，數(shù)字像素系統(tǒng))CCTV攝像機(jī)給人耳目一新的感覺。專業(yè)廣播電視攝像機(jī)和CCTV攝像機(jī)制造商—Ikegami池上公司推出了它的首臺PiximDPS攝像機(jī)HyperDynamicISD-A10，它成為展會的亮點(diǎn)。并在展會后得到美國、歐洲銀行和金融機(jī)構(gòu)等行業(yè)廣泛歡迎。

??? 下面的圖像顯示Pixim攝像機(jī)和普通CCD攝像機(jī)在相同場景下的比較。

740)this.width=740" vspace=2 border=undefined>

??? 這次池上公司將其在攝像機(jī)領(lǐng)域領(lǐng)先的低垂直光斑和背光補(bǔ)償、色彩調(diào)節(jié)等技術(shù)與Pixim技術(shù)相結(jié)合，推出超級動態(tài)ISD-A10攝像機(jī)。

??? 在任何光亮條件的正常的或?qū)拕討B(tài)范圍場景下，Pixim的DPS芯片集排列緊密，易于形成一定形狀，能拍攝非常優(yōu)質(zhì)的圖像。在現(xiàn)存模擬技術(shù)拍攝實(shí)際圖像時，由于光線的不斷變化和物體顏色精確還原的限制出現(xiàn)物體識別差和圖像色彩還原差等缺陷，而用Pixim成象技術(shù)的連貫性和準(zhǔn)確性克服了這些缺陷。DPS圖像傳感器在每一個像素上將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使得每一個像素有獨(dú)立的和最優(yōu)化的曝光時間來產(chǎn)生高品質(zhì)、高顏色精度的圖像。

??? 三、Pixim的DPS技術(shù)背景

??? Pixim公司開發(fā)研制出一種優(yōu)于傳統(tǒng)CCD的有專利的DPS成像技術(shù)，它標(biāo)志著圖像技術(shù)在基礎(chǔ)原理上的突破。DPS技術(shù)由美國斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授AbbaselGamal與其帶領(lǐng)的博士研究生DavidYang(楊曉東)于1993年開發(fā)而成，后來被授權(quán)給楊曉東博士于1999年創(chuàng)立的Pixim公司。自此以后,Pixim公司對DPS概念和技術(shù)申請了56項(xiàng)專利，其中42項(xiàng)已經(jīng)生效。

??? DPS成像技術(shù)在視頻攝像捕捉和處理圖像過程中有著變革性的意義。采用該技術(shù)拍攝出高質(zhì)量的移動和靜止圖像超過任何現(xiàn)有的其它技術(shù)。所謂DPS平臺,通過在一個優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi),將圖像捕捉和處理結(jié)合起來，Pixim的成像系統(tǒng)具有無可比性的功能。Pixim提供了完整的數(shù)字成像系統(tǒng)包括一個圖像傳感器、圖像處理器、攝像機(jī)參考設(shè)計方法,軟件和關(guān)鍵算法,使攝像機(jī)易于開發(fā)設(shè)計和形成高質(zhì)量、高級性能的攝像機(jī)。

??? 四、Pixim的DPS技術(shù)的基本原理

??? DPS技術(shù)的核心發(fā)明是在每個象素點(diǎn)在捕捉圖像時將光信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號——由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC(analog-to-digitalconverter),這樣使信號衰減和色度亮度串?dāng)_降到最小，使傳感器為每個像素提供最佳、獨(dú)立的曝光次數(shù)，一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字形式被捕獲，多種多樣的數(shù)字信號處理技術(shù)被用于再現(xiàn)最好的圖像。即使在極端照明的條件下的高動態(tài)范圍場景，都能拍出還原準(zhǔn)確的低噪波圖像。

??? Pixim的DPS技術(shù)使用被稱為“多點(diǎn)采樣”的技術(shù)，這個技術(shù)用于收集信息，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的圖像和寬動態(tài)范圍。在一個單獨(dú)的捕獲畫面（在視頻中一般每秒50到60次），每個像素被獨(dú)立地?zé)o破壞性地多次取樣。成像系統(tǒng)決定最佳取樣時間和存儲像素信息在像素飽和前，并不再保留額外的電荷。在下面圖表中，亮的像素被存儲在時間軸T2，在它達(dá)到100%飽和前的最近一次抽樣時間。

740)this.width=740" border=undefined>

??? 暗的象素積累電荷更慢一點(diǎn)而且將用更多的時間直到它被取樣存儲在T6。每個象素捕捉到的存儲信息值（強(qiáng)度、時間、噪波彌補(bǔ)）被并行處理，然后轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的圖像。對比之下，其它技術(shù)每幀設(shè)定一個曝光時間，并同時對每個像素取樣，結(jié)果導(dǎo)致一些圖像的象素曝光不足（太暗了），還有一些像素曝光過度了（太亮了）。

??? Pixim的第一個基于DPS技術(shù)產(chǎn)品D2000視頻成像系統(tǒng)是由數(shù)字成像傳應(yīng)器和數(shù)字圖像處理器組成。數(shù)字成像傳應(yīng)器和數(shù)字圖像處理器很像人的眼睛和大腦，雙向?qū)崟r交互捕獲可能的最高質(zhì)量的圖像。就像人走進(jìn)了黑暗的房子，大腦指揮人的眼睛瞳孔去尋找光亮，數(shù)字圖像處理器載入新的編碼進(jìn)入傳感器不僅改變曝光時間而且改變實(shí)際圖像捕捉計算方法。結(jié)果是在特別的圖像特性和光亮條件下，獲得最佳圖像。

??? 因?yàn)槊恳幌笏囟加凶约旱哪M-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的信息被獨(dú)立捕捉和處理，每一個象素在其攝像機(jī)內(nèi)都起到了作用。在圖像傳感器的象素排列位置上，每一個象素的曝光時間被調(diào)節(jié)去處理獨(dú)特的光條件?；贒PS系統(tǒng)平臺制造的一個攝像機(jī)實(shí)質(zhì)上都有成千上萬的獨(dú)立攝象單元，每個攝象單元機(jī)都盡可能的創(chuàng)作最好的圖像。這些圖像然后被結(jié)合起來創(chuàng)造一幀高質(zhì)量的視頻畫面或圖片。由于成象技術(shù)不斷向整個數(shù)字系統(tǒng)靠近，Pixim的DPS技術(shù)將會給高質(zhì)量的視頻攝像機(jī)和照相機(jī)提供圖像捕捉和處理基礎(chǔ)。

??? 五、傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)和Pixim攝像機(jī)性能比較

??? PIXIM技術(shù)的發(fā)展是依賴大量的數(shù)模轉(zhuǎn)化以此來減少圖片上的強(qiáng)光閃爍實(shí)現(xiàn)的。每個象素和一個數(shù)模轉(zhuǎn)換相配套，因此強(qiáng)光象素降低了暴光量，低光象素相反增加暴光量。

??? PIXIM技術(shù)推動了寬動態(tài)范圍的數(shù)字視頻。你眼睛看到的畫面并不是你能拍到的畫面，至少不是通過數(shù)字視頻得到的。使用CCD圖像傳感器的最大問題是拍攝的圖像效果遠(yuǎn)不如眼睛看到的圖像。眼睛可以自動調(diào)節(jié)，適用連續(xù)變化的光線，看到最理想圖像。當(dāng)眼睛看到一幅包含亮光和暗光的場景時，能夠減少對強(qiáng)光區(qū)域的敏感度，增加對黑暗物體和陰影部分的細(xì)節(jié)的敏感度。

??? 一個CCD傳感器可以調(diào)節(jié)亮景和暗景，但是不能同時對兩個亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此當(dāng)你扛著攝像機(jī)在屋內(nèi)來回走動的時候，得到的曝光效果是不錯的。但是如果你的鏡頭對著陽光照射的玻璃時，這個攝像機(jī)就不能很好工作了，你不能看到外面的任何東西。相反地，前景的亮物體將淹沒在后景的暗物體。在陰影部分的所有東西變成了黑色。

??? 有限的光亮范圍不會影響到家用攝像機(jī)的功能，而且也被經(jīng)常用到電影里以達(dá)到藝術(shù)效果。但在安防攝像機(jī)市場使這種效果不可取。如果壞人躲在陰影下，你就不能夠識別它。如果強(qiáng)光照射的場景中的細(xì)節(jié)丟失了就可能失去有價值的線索。

??? PIXIM用一個新的CMOS傳感器技術(shù)——DPS解決了這個問題。盡管前景是強(qiáng)光的條件下，陰影部分物體仍然清晰可見。強(qiáng)光區(qū)域的物體也沒有遺失。PIXIM攝像機(jī)與CCD攝像機(jī)雙畫面對比的例子生動且有說服力，而且在安防攝像機(jī)工業(yè)方面被認(rèn)為是可信任的。

??? 在下面照片中，左邊看到的是PIXIM圖像傳感器，右邊看到的是索尼CCD傳感器。由于CCD系統(tǒng)是采用模擬技術(shù)，應(yīng)用粗糙的三期組成很多部件。相反地，PIXIM系統(tǒng)是數(shù)字的，而且有相配套的芯片，在象素對象素的基礎(chǔ)上觀察和處理圖片。隨機(jī)的ARM-100處理器使得攝像機(jī)制造商可以選擇PAL或者NTSC輸出和動態(tài)地調(diào)節(jié)敏感度。

740)this.width=740" border=undefined>

?? 寬動態(tài)范圍WDR

740)this.width=740" border=undefined>

　　以Pixim為基礎(chǔ)的攝像機(jī)可以看清楚室內(nèi)圖像和室外環(huán)境的詳細(xì)情況，包括壞人的圖片。以CCD為基礎(chǔ)的攝像機(jī)，室外的圖像都無法得到，包括在場的人。

??? 色彩準(zhǔn)確性

740)this.width=740" border=undefined>

??? 基于Pixim技術(shù)的攝像機(jī)顯示更好的彩色逼真度和清晰度。注意卡片桌和卡片顏色，以及桌上文字對比度的差別。

??? 極端光線環(huán)境

740)this.width=740" border=undefined>

??? 在珠寶店內(nèi)有強(qiáng)光照射，Pixim攝像機(jī)不受強(qiáng)光影響，室內(nèi)外圖像都很清楚。

??? 白平衡

740)this.width=740" border=undefined>

??? 在任何光線下，基于Pixim的攝像機(jī)比其他技術(shù)的攝像機(jī)拍攝出彩色逼真度更高的圖片。即使在典型(鎢燈)照明條件下,Pixim攝像機(jī)顯示更好的圖像質(zhì)量?；贑CD攝像機(jī)在白平衡和色彩準(zhǔn)確有缺陷。注意Pixim攝像機(jī)得到所有細(xì)節(jié)彩色圖，襯衫上的細(xì)節(jié)和墻上圖像色彩準(zhǔn)確度。

??? 六、寬動態(tài)攝像機(jī)的應(yīng)用

??? 目前監(jiān)控攝像機(jī)市場的寬動態(tài)攝像機(jī)種類繁多，很多產(chǎn)品已經(jīng)從第一代發(fā)展到第三代，應(yīng)用范圍越來越廣和使用效果越來越好，如銀行和金融機(jī)構(gòu)的對外營業(yè)部門、高速公路收費(fèi)站、賓館寫字樓及重要設(shè)施的出入口等光線變化大的場所。但現(xiàn)在很多寬動態(tài)攝像機(jī)使用合成技術(shù)，如果技術(shù)處理不到位將造成圖像還原能力差、色彩容易失真、圖像有雙影、清晰度達(dá)不到要求等現(xiàn)象。隨著CCD寬動態(tài)技術(shù)的發(fā)展和新的CMOS技術(shù)的應(yīng)用，攝像機(jī)制造商將為市場帶來更多更好的寬動態(tài)攝像機(jī)。

??? 在CCTV監(jiān)控系統(tǒng)中，前端攝像機(jī)占據(jù)著非常重要的位置。在選擇寬動態(tài)攝像機(jī)時，應(yīng)該從以下幾個方面著手：

??? 1、根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場所和監(jiān)控目標(biāo)，選擇參數(shù)、指標(biāo)、功能要求的攝像機(jī)。

??? 2、通過樣品演示，核實(shí)標(biāo)出的產(chǎn)品參數(shù)、指標(biāo)、功能是否與產(chǎn)品一致，實(shí)測拍攝圖像的清晰度、寬動態(tài)效果、彩色還原是否真實(shí)。

??? 3、選擇可靠性高的攝像機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)建成后，若攝像機(jī)的質(zhì)量、可靠性不能保證，需要經(jīng)常維修、調(diào)整或運(yùn)行一段時間圖像質(zhì)量下降、損壞，這些給用戶帶來的損失可能超過購買攝像機(jī)的費(fèi)用。

??? 4、選擇好的攝像機(jī)應(yīng)該配好的鏡頭，這樣才能表現(xiàn)出最好的效果。

??? PiximDPS技術(shù)的應(yīng)用無疑將給寬動態(tài)攝像機(jī)市場帶來活力，但真正能將該技術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致，還要看制造商的技術(shù)實(shí)力。就像很多生產(chǎn)廠家都可以用CCD器件生產(chǎn)攝像機(jī)，但技術(shù)上領(lǐng)先的還是幾家知名品牌的制造商。

??? 以Ikegami池上ISD-A10攝像機(jī)為代表的Pixim芯片攝像機(jī)，其價格并不比傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)高，在2005年底面市至今，經(jīng)過全世界范圍很多用戶長時間使用和觀察，得到廣泛的認(rèn)可和好評。