细数关于宽动态摄像机的两大关键技术

   日期:2012-12-29     评论:0    

随着摄像机应用场合的逐渐细化,在一些明暗反差较大的场合,宽动态摄像机得以大展拳脚。而近年来,随着宽动态摄像机、超级动态摄像机、超宽动态摄像机等名词的频频出现,宽动态摄像机也让人不再陌生。

宽动态摄像机介绍

按照度值来衡量,当摄像机从室内看窗外,室内照度为100Lux,而外面的照度可能是在10,000Lux,对比就是 10,000/100=100:1。在这种对比下人眼能很容易的同时看清室内和室外的物体,因为人眼能处理1000:1的对比度。然而传统CCD摄像机就会有很大的问题。因为传统摄像机只有3:1的对比性能。

安装现场复杂的光线环境,导致只能看到监控目标的轮廓,同时会出现画面被破坏、缺乏色彩层次等问题。当使用最慢为1/50秒的电子快门来取得室内较暗处目标的正确曝光,但在这种情况下室外明亮处的图像由于过度曝光会变白(过亮);当选择最快1/6000秒取得室外明亮处影像的完美的曝光,但是室内较暗处的影像会由于欠曝光而变黑(过暗)。这是一个自从监控摄像机被发明以来就一直长期困扰使用者的问题。

宽动态摄像机技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到物体图像而运用的一种技术。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。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的,这种局限就是通常所讲的“动态范围”。

广义上的“动态范围”是指某一变化的事物可能改变的跨度,即其变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域,此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值。这是一个应用非常广泛的概念,在谈及摄像机产品的拍摄图像指标时,一般的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力,具体指亮度(反差)及色温(反差)的变化范围。

宽动态摄像机到现在为止,究竟经历了几代,没能讲得清楚。就技术而言,不算背光补偿技术,宽动态现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宽动态技术,艾普视达的市场部经理范清华表示:“值得注意的是,由于CCD的固有特性,即便是采用多次曝光方式,CCD 摄像机的宽动态范围最多也只有66dB,而CMOS宽动态摄像机据悉其动态范围已能达到120dB以上,在未来CMOS宽动态技术将有更大的发展空间。”

 
  
  
  
  
 
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