如果说“让我们看的更清楚”是监控领域一个不变的追求,但是数字化永无止境,能在多种环境下看的清楚则是监控领域一个更高的目标。受限于传统的摄像机的固有技术特性,当在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时,摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色,而黑暗区域因曝光不足成为黑色,严重影响图像质量。
同时摄像机像素的提升,产生的数据流量也是巨量的,如何能保证这些数据的质量,保证其具有后期可调用、审查的价值是考验高清摄像机未来普及的一条重要标准。在此时应用而生的宽动态摄像机就是为了解决这一难题,同时我们也看到一些监控摄像机都已经具备这一功能。而且宽动态正成为高清摄像机的性能指标之一。
常规摄像机视场中的物体在亮度较高的背景光时,需要看门口或窗外的物体,通常采用中央背光补偿(BLC)模式,它主要是靠提升视场中央部分的亮度、降低视场四周部分的亮度来达到看清位于中央位置内物体的目的。
宽动态摄像机就技术而言有二种重要实现方式:CCD+DSP技术和CMOS+DPS技术。
CCD+DSP技术:
DSP芯片是一种特殊的微处理器,根据数字信号处理理论的数学模型和算法,设计出专门的数字信号微处理器芯片。计算程序全部“硬化”,数字滤波器所需要的其他设备也全部集成、硬化,比如加法器、存储器、控制器、输入/输出接口,甚至其他类型的外部设备等。许多在模拟信号处理器中无法进行的工作,都可以在数字处理中进行,如二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背景光补偿、肤色轮廓校正、细节补偿频率调节、准确的彩色矩阵、精确的校正、自动聚焦等。
超级宽动态技术常使用双速CCD配合DSP的处理方式。这种双曝光(或双快门)技术的核心是针对明暗反差较大的场景,摄像机先对明亮区域进行一次快速曝光,得到一幅亮部区域清晰正常的图像并存储到数据缓冲存储器中;然后再对场景中暗部区域进行一次慢速曝光,得到一幅暗部区域画面清晰的图像也存储到数据缓冲存储器中。以上曝光完毕后,利用DSP特有的图像处理算法,将两幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来,最后进行叠加合成并输出一幅明暗区域都清晰可见的图像。这样就能避免亮部曝光过度和暗部曝光不足的问题,从而使整个画面都清晰可见,以实现宽动态的处理效果。
但如果采用不同DSP芯片,在具体细节上还是有明显差别,比如对灵敏度、色还原度、白平衡等的处理。
CMOS+DPS技术
美国Pixim公司在斯坦福大学20世纪90年代技术发展基础上研发了一种基于CMOS技术的新型的图像拾取系统――DPS(数字像素处理系统),此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图片。宽动态功能划时代地提升了一幅图像中亮和暗区域的影像拍摄效果,可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在宽动态处理上,DPS采用的是每一个像素单独曝光和ARM7控制技术,相比于CCD的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说,采用DPS技术的CMOS摄像机就目前的处理技术,其动态范围即可到达95dB,甚至可至120dB。在扩大动态范围的同时,DPS也解决了CCD传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足,其色彩还原性更加真实,能够满足应用的要求。使用这种技术的摄像机在数字图像传感器里每一个像素中都使用了一个模拟数字转换器(ADC),在捕捉到光信号时直接转化为数字信号,最大程度地降低了信号在排列中的衰减和干扰。
DPS技术体现的宽动态功能划时代地提升了一幅图像中亮和暗区域的影像拍摄效果,可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。由于DPS采用的单一像素曝光和ARM7控制技术,所以相比于CCD的两次曝光成像有了更高的动态范围。又由于DPS的每个像素单独处理技术,也解决了CCD传感器在处理动态范围时带来的色彩还原性不足等问题。
但也需要指出,由于DPS是基于每个像素单独处理的技术,因其每个像素都包含一套完整的处理电路,从而也大大减小了每个像素的感光面积,即感光量减少,其结果是基于CMOS和DPS技术的摄像机,其灵敏度是有显著影响的,或说不甚满意。
对比CCD与CMOS两种技术的优缺点我们可以看到,受限于CCD的固有特性,即便采用多次曝光,CCD摄像机的宽动态范围最大只能达到66dB,而CMOS宽动态摄像机的动态范围已经达到160dB以上,对于DPS技术,每个像素对应的光线都可以优化曝光,每一帧数据读取时间只需0.8毫秒(传统CCD技术则需数十毫秒),这样系统可以对每个像素进行多次单独采样;而成像系统控制着每个像素的最佳采样时间,在每个像素达到最佳状态时存储像素信息。在所有像素被采集后,系统再对其进行处理,最终形成高质量的图像。即使在最苛刻的光照条件下,也可捕捉到清晰、逼真的图像,再也不会因为阴影、眩光、反射和太阳光而使图像发暗或被破坏。
作为一种非常实用的宽动态摄像机,在技术层面的发展必然会精益求精。总之,只要宽动态技术自身的不断提升,必将成为IPC中的必要植入功能,带动IPC走入更多实际应用领域。。
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