主頁（http://www.by236.com）：淺議寬動態(tài)攝像機技術(shù)及功能

    本文著重從寬動態(tài)攝像機的發(fā)展背景出發(fā)，介紹了背光補償技術(shù)、兩種不同的寬動態(tài)技術(shù)比較以及寬動態(tài)攝像機的幾種主要功能。為讀者們提供了一個系統(tǒng)的寬動態(tài)攝像機的技術(shù)理論和發(fā)展情況。

    現(xiàn)在寬動態(tài)攝像機已不是新鮮的事物，早在十年前，松下就研制出了第一代寬動態(tài)攝像機。到2005年，松下推出了第三代寬動態(tài)攝像機，高達(dá)160倍的寬動態(tài)范圍，從而在真正意義上實現(xiàn)了寬動態(tài)效果。

    在監(jiān)控攝像機的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景。在同一位置往往會面臨多種照明條件，很多地方照明分為日光和人工照明的混合光，并在不同時段下出現(xiàn)明暗反差非常大或者說強背光的情況，如在銀行的儲蓄所、出入口等處，因為從窗外射入的強光都可能對當(dāng)時室內(nèi)外場景的捕獲造成困難，不能同時將反差很大的室內(nèi)外場景清晰地拍攝下來。

    普通攝像機由于受CCD感光特性所限制，拍攝的圖像會出現(xiàn)背景清晰前景過暗的情況，效果不理想。一個普通攝像機只有一個快門速度選擇，其取所有進(jìn)入CCD光線亮度的平均值決定曝光等級，普通的攝像機在采集圖像信號后，根據(jù)畫面的整體亮度對畫面進(jìn)行一個自動增益調(diào)整。這不是一個理想的辦法，當(dāng)快門速度增加的時候，光圈被關(guān)閉導(dǎo)致主要目標(biāo)變得太黑而看不見。這種情況在同一幅畫面明暗對比很強烈時，會出現(xiàn)無法控制合適的曝光速度，導(dǎo)致畫面背景明亮前景發(fā)黑的情況。

背光補償技術(shù)
    為了解決上述問題，一種稱為背光補償?shù)姆椒ㄍㄟ^對區(qū)域加權(quán)被廣泛使用在具有背光補償功能的攝像機上。背光補償技術(shù)首先將視場分割成若干個區(qū)域，每個區(qū)域都可以獨立加權(quán)計算曝光等級，例如中間部分就可以加權(quán)到是其余區(qū)塊的數(shù)倍。因此，一個在畫面中間位置的目標(biāo)可以被看得清晰些，因為曝光主要是參照中間區(qū)域的光線等級進(jìn)行計算。然而有一個非常大的缺陷，如果主要目標(biāo)從中間移動到畫面的上下左右位置，目標(biāo)會變得非常黑，因為在這些位置已經(jīng)不被加權(quán)或只加較小的權(quán)。所以說有背光補償功能的攝像機，僅只能有限地改善背景明亮前景發(fā)黑的問題。背光補償功能雖然在整體上不會出現(xiàn)曝光過度或者過暗的情況，并使得發(fā)黑的前景有所改善，但要達(dá)到令人尚可滿意的整體效果還是有相當(dāng)?shù)木嚯x（背光補償技術(shù)在兩種不同攝像機中的應(yīng)用比較如圖1所示）。

    自寬動態(tài)技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決了以上述問題。寬動態(tài)攝像機（不管是采用DSP技術(shù)的CCD攝像機，還是采用DPS技術(shù)的CMOS攝像機）采用了先進(jìn)的寬動態(tài)圖像傳感器和圖像處理技術(shù)，視頻傳感器在曝光周期內(nèi)對每一個像素點的采光進(jìn)行多次取樣，不僅記錄每個像素的采光總量，也計算采光的變化速率，對每個像素的曝光處理可以達(dá)到更寬的動態(tài)范圍。

當(dāng)前主要的寬動態(tài)技術(shù)比較
    CCD寬動態(tài)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，之后將兩個圖像進(jìn)行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。這需要較高的技術(shù)使色彩和清晰度損失最小。但無論怎樣，經(jīng)過這樣處理后的圖像會失去其原有的色彩效果，這也是當(dāng)前寬動態(tài)攝像機面臨的最大問題。然而由于CCD的特性所限制，攝像機寬動態(tài)范圍最大只能到60dB（松下第二代超級寬動態(tài)范圍80倍--48dB、第三代寬動態(tài)范圍達(dá)到160倍--54dB）。這就是我們平常所說的CCD寬動態(tài)攝像機的工作原理，因為掃描速度要提高一倍，所以需要雙速CCD和相應(yīng)的DSP芯片進(jìn)行支持，這也是寬動態(tài)CCD攝像機價格比較高的原因。

    寬動態(tài)技術(shù)并不是CCD攝像機獨有的，由于CCD的感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS寬動態(tài)攝像機將會有突出的表現(xiàn)，可以說未來的監(jiān)控攝像機都會有寬動態(tài)功能，而寬動態(tài)技術(shù)將屬于CMOS。

    其中以Pixim公司最新出來的基于CMOS技術(shù)的DPS圖像拾取系統(tǒng)最為突出。此系統(tǒng)可以通過其超強的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖像�？梢赃_(dá)到比CCD更真實、更清晰的圖像。在動態(tài)范圍上，DPS采用的單一像素曝光和ARM7控制技術(shù)，相比于CCD的兩次曝光成像有了更高的動態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，采用DPS技術(shù)的攝像機的動態(tài)范圍可到達(dá)95dB，最高可至120dB。在擴大動態(tài)范圍的同時，DPS也解決了CCD傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。

    DPS技術(shù)的核心是在每個像素點在捕捉圖像時即將光信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號——由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC(analog-to-digital converter),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)可被用于圖像再現(xiàn)。即使在極端照明的條件下都能拍出還原準(zhǔn)確、低噪聲的圖像。

    Pixim的DPS技術(shù)使用被稱為“多點采樣”技術(shù)，在一個單獨的捕獲畫面，每個像素被獨立地?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。每個像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(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)致一些圖像的像素曝光不足，還有一些像素曝光過度了。

    因為Pixim的DPS技術(shù)的每一像素都有自己的模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的信息被獨立捕捉和處理，每一個像素在其攝像機內(nèi)都起到了作用。在圖像傳感器的像素排列位置上，每一個像素的曝光時間被調(diào)節(jié)去處理獨特的光條件。基于DPS系統(tǒng)平臺制造的一個攝像機實質(zhì)上都有成千上萬個獨立攝像單元，每個攝像單元都盡可能創(chuàng)作出最好的圖像。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。

寬動態(tài)攝像機的主要功能
    時隔三年不到的時間，奮起直追的中國安防行業(yè)，己經(jīng)逐步接觸并開始掌握了寬動態(tài)技術(shù)，寬動態(tài)攝像機開始走進(jìn)了尋常百姓家。銀行和城市道路監(jiān)控是監(jiān)控系統(tǒng)最大的消費行業(yè)，理所當(dāng)然地成為了寬動態(tài)技術(shù)的最先受益者。
(中國集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮)