寬動態(tài)攝像機技術發(fā)展與應用

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

??? 一、寬動態(tài)攝像機發(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、監(jiān)視器、數(shù)字錄像機、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)控攝像機的應用過程中，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，因為從窗外射入的強光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對當時室內(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，要求在復雜的光線條件下，拍攝出清晰畫面，不丟失細節(jié)。普通攝像機由于受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)攝像機一般會采用背光補償技術或在室內(nèi)外放置兩臺攝像機來適應較大的光線反差，但效果不太理想。針對這種情況寬動態(tài)技術誕生了。

??? 1977年松下公司推出第一代寬動態(tài)攝像機，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，它的寬動態(tài)范圍達到80倍（48dB）。2005年4月松下的第三代超級寬動態(tài)攝像機問世了，它的寬動態(tài)范圍達到160倍（54dB）。目前寬動態(tài)技術主要由國外一些大的攝像機制造商掌握，雖然各家的技術方式方法不同但在使用CCD實現(xiàn)寬動態(tài)的原理基本一致。寬動態(tài)的主要技術是采用特殊DSP（數(shù)字信號處理）電路，對明亮部分進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成像技術的超寬動態(tài)攝像機ISD-A10，它的動態(tài)范圍高達120dB,并具有非常好的色彩還原和清晰度。它標志著寬動態(tài)技術有了巨大的突破，新一代寬動態(tài)攝像機已經(jīng)站在更高一層的起點上向前跨出一大步。

??? 二、Pixim的DPS技術超級寬動態(tài)攝像機問世

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

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

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??? 這次池上公司將其在攝像機領域領先的低垂直光斑和背光補償、色彩調(diào)節(jié)等技術與Pixim技術相結(jié)合，推出超級動態(tài)ISD-A10攝像機。

??? 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)存模擬技術拍攝實際圖像時，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成象技術的連貫性和準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，它標志著圖像技術在基礎原理上的突破。DPS技術由美國斯坦福大學電子工程學教授AbbaselGamal與其帶領的博士研究生DavidYang(楊曉東)于1993年開發(fā)而成，后來被授權給楊曉東博士于1999年創(chuàng)立的Pixim公司。自此以后,Pixim公司對DPS概念和技術申請了56項專利，其中42項已經(jīng)生效。

??? DPS成像技術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。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、攝像機參考設計方法,軟件和關鍵算法,使攝像機易于開發(fā)設計和形成高質(zhì)量、高級性能的攝像機。

??? 四、Pixim的DPS技術的基本原理

??? DPS技術的核心發(fā)明是在每個象素點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擾降到最小，使傳感器為每個像素提供最佳、獨立的曝光次數(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，都能拍出還原準確的低噪波圖像。

??? Pixim的DPS技術使用被稱為“多點采樣”的技術，這個技術用于收集信息，以實現(xiàn)高品質(zhì)的圖像和寬動態(tài)范圍。在一個單獨的捕獲畫面（在視頻中一般每秒50到60次），每個像素被獨立地無破壞性地多次取樣。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，在它達到100%飽和前的最近一次抽樣時間。

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??? 暗的象素積累電荷更慢一點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（強度、時間、噪波彌補）被并行處理，然后轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的圖像。對比之下，其它技術每幀設定一個曝光時間，并同時對每個像素取樣，結(jié)果導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技術產(chǎn)品D2000視頻成像系統(tǒng)是由數(shù)字成像傳應器和數(shù)字圖像處理器組成。數(shù)字成像傳應器和數(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入傳感器不僅改變曝光時間而且改變實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。

??? 因為每一象素都有自己的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的信息被獨立捕捉和處理，每一個象素在其攝像機內(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)去處理獨特的光條件?；贒PS系統(tǒng)平臺制造的一個攝像機實質(zhì)上都有成千上萬的獨立攝象單元，每個攝象單元機都盡可能的創(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。由于成象技術不斷向整個數(shù)字系統(tǒng)靠近，Pixim的DPS技術將會給高質(zhì)量的視頻攝像機和照相機提供圖像捕捉和處理基礎。

??? 五、傳統(tǒng)CCD攝像機和Pixim攝像機性能比較

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

??? PIXIM技術推動了寬動態(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。當眼睛看到一幅包含亮光和暗光的場景時，能夠減少對強光區(qū)域的敏感度，增加對黑暗物體和陰影部分的細節(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行調(diào)節(jié)。因此當你扛著攝像機在屋內(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的功能，而且也被經(jīng)常用到電影里以達到藝術效果。但在安防攝像機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。如果強光照射的場景中的細節(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——DPS解決了這個問題。盡管前景是強光的條件下，陰影部分物體仍然清晰可見。強光區(qū)域的物體也沒有遺失。PIXIM攝像機與CCD攝像機雙畫面對比的例子生動且有說服力，而且在安防攝像機工業(yè)方面被認為是可信任的。

??? 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，應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上觀察和處理圖片。隨機的ARM-100處理器使得攝像機制造商可以選擇PAL或者NTSC輸出和動態(tài)地調(diào)節(jié)敏感度。

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?? 寬動態(tài)范圍WDR

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

??? 色彩準確性

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??? 基于Pixim技術的攝像機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

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

??? 白平衡

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??? 在任何光線下，基于Pixim的攝像機比其他技術的攝像機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攝像機顯示更好的圖像質(zhì)量?；贑CD攝像機在白平衡和色彩準確有缺陷。注意Pixim攝像機得到所有細節(jié)彩色圖，襯衫上的細節(jié)和墻上圖像色彩準確度。

??? 六、寬動態(tài)攝像機的應用

??? 目前監(jiān)控攝像機市場的寬動態(tài)攝像機種類繁多，很多產(chǎn)品已經(jīng)從第一代發(fā)展到第三代，應用范圍越來越廣和使用效果越來越好，如銀行和金融機構(gòu)的對外營業(yè)部門、高速公路收費站、賓館寫字樓及重要設施的出入口等光線變化大的場所。但現(xiàn)在很多寬動態(tài)攝像機使用合成技術，如果技術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、清晰度達不到要求等現(xiàn)象。隨著CCD寬動態(tài)技術的發(fā)展和新的CMOS技術的應用，攝像機制造商將為市場帶來更多更好的寬動態(tài)攝像機。

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

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

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

??? 3、選擇可靠性高的攝像機。監(jiān)控系統(tǒng)建成后，若攝像機的質(zhì)量、可靠性不能保證，需要經(jīng)常維修、調(diào)整或運行一段時間圖像質(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的費用。

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

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

??? 以Ikegami池上ISD-A10攝像機為代表的Pixim芯片攝像機，其價格并不比傳統(tǒng)CCD攝像機高，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，得到廣泛的認可和好評。