5種擴展CMOS攝像機動態范圍的比較及其測量方法(2)

時間：2010-09-02　來源：中國集群通信網　作者：顧小軍　點擊：次

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　　所謂DPS(Digital Pixel System)，即數字像素系統，CMOS-DPS攝像機就是有數字像素系統的攝像機。傳統CCD和CMOS攝像機傳感器是為每一列或每一行像素點配備一個模數轉換器(A/D)，每個像素點的輸出都是模擬光信號，存在噪聲大和輸出時間長等缺點。而DPS是在圖像傳感器的每個像素點上包含一個10位A/D轉換器，即在CMOS攝像機圖像傳感器上的有源像素捕捉到光信號時，直接將其放大并轉換為數字信號，可將陣列上的信號退化和串擾降到最小，并允許采用更好的降噪方法。一旦數據以數字格式捕獲，可采用各種數字信號處理技術來真實重現圖像。顯然，DPS技術中的圖像傳感器和圖像處理器是全數字式的，并采用32位ARM CPU精確控制每個像素，使每個像素獨立完成采樣和曝光，并直接轉換為數字信號，是目前市面上唯一、真正的全數字圖像處理系統。

　　CMOS-DPS的單個像素的組成，如圖2所示。由圖2可知，該器件的單個像素，由APS像素單元、模擬數字轉換(A/D)、數字存儲器和相關雙取樣(CDS)電路等組成。CMOS-DPS的工作原理，不像CMOS-PPS和CMOS-APS的A/D轉換是在像素外進行，而是將A/D轉換集成在每一個像素單元里，使每一像素單元輸出的是數字信號，而成像系統控制著每個像素的最佳采樣時間，在每個像素達到最佳狀態時存儲像素信息。在所有像素被采集后，再送到系統的DSP對其進行處理，以最終形成高質量的圖像。因此，這種CMOS攝像系統克服了原來CMOS攝像機的缺點，而優于CCD攝像機。

圖2 CMOS-DPS單個像素的組成

　　CMOS-DPS技術標志著攝像技術上的一個根本突破，以CCD為主流技術的攝像機必將受到DPS技術的巨大沖擊。因為在DPS技術中，“每個像素都是一部攝像機(Every pixel is a camera)”，在一幅圖像中，曝光像素有數十萬個，即使在最苛刻的光照條件下，也可捕捉到清晰、逼真的圖像，再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發暗或被破壞。因此，在DPS技術中，每個像素對應的光線都可被優化曝光，最終形成高質量的圖像。

　　目前，CCD寬動態攝像機最好的擴展動態范圍方式是5次取樣方式。而CMOS-DPS攝像機是每個像素取樣，它可使每個像素的曝光時間不同，從而使同一畫面不同部分的曝光時間不盡相同。因此，整幅圖像的任意點，都可達到最佳圖像顯示的狀態，得到清晰的圖像細節，更加接近真實場景的色彩還原。因此，CMOS-DPS攝像機的動態范圍自然要比CCD寬動態攝像機寬得多。

　　CMOS-DPS攝像機采用與“人眼-大腦”系統相同的工作模式，使圖像傳感器和圖像處理器具有雙向實時互動性。DPS攝像機圖像的攝取和處理過程，類似人眼和大腦的關系，在對圖像進行處理和運算的同時，不斷向圖像傳感器下達指令，不僅調整曝光時間，且改變實際的圖像捕捉算法，實現智能化圖像處理功能。在特定的圖像特征和光照下，DPS攝像機最終能提供更詳盡、完整和真實的圖像細節，從而獲得最佳的圖像效果。

　　CMOS-DPS攝像機除與CCD攝像機有相同的高清晰度外，在色度、白平衡、輪廓補償、垂直光斑等方面都充分體現其出類拔萃的特色。用自身OSD可設置多項功能和調整多項參數以確保多種場合下的監控需求。

　　由于CMOS-DPS的特有結構是CCD無論如何都做不到的(CCD一個像素上不可能集成這些)，再加上CMOS成像器件具有的高速數字讀出、無列讀出噪聲或固定圖形噪聲、工作速度更快、功耗更低的優點，使它能更方便地實現網絡化與智能化。

　　幾種擴展CMOS攝像機動態范圍的性能比較

表1 幾種擴展CMOS攝像機動態范圍的性能比較

　　上述幾種擴展CMOS攝像機動態范圍的性能比較如表1所示。

　　由表1可知，CMOS攝像機動態范圍以線性-對數輸出模式與CMOS-DPS數字像素式為最大，其圖像灰度層次豐富、色彩真實、質量品質高。尤其CMOS-DPS圖像傳感器在每一個像素上將光信號轉換成數字信號，使得每一個像素有獨立的和最優化的曝光時間來產生高品質、高顏色精度的圖像。它在擴大動態范圍的同時，也解決了CCD傳感器在處理動態范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，因而完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。

　　以線性-對數輸出模式的CMOS攝像機與更便于網絡化智能化的CMOS-DPS純數字攝像機，均將是今后CMOS攝像機擴展動態范圍的發展方向，尤其是后者。

　　動態范圍的測量方法

　　確定攝像機成像器動態范圍的方法主要有兩種：一種是使用傳感器和圖像處理器中基本電路的相關信息計算得出;另一種是使用灰階測試卡和實驗儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級別。盡管采用計算的方法可在理論上算出動態范圍的極限值，但通常傾向使用測量的方法，因它能反映用戶對攝像機成像效果的實際體驗。

　　日本電子資訊技術產業協會 (JEITA)的測量方法

　　是否能夠準確確定動態范圍，一個重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動態范圍的全部取值。比如圖3 所示的 Kodak Q-14 測試卡，相鄰灰階格的刻度差是 1/3 光圈級數(f-stop)，最多只能測量出 5.66 檔或大約 34 分貝的動態范圍。

圖3 Kodak Q-14 灰階測試卡

　　使用 JEITA 方法測量動態范圍和動態范圍擴展比率時，灰階測試卡的 gamma值指定為 2.2，總共有十個灰階級別，能夠測出的動態范圍與 Q-14 灰階測試卡基本相同。按照這種方法的規格說明書所述，將兩張灰階測試卡并排放置，二者中間以屏幕相隔。再用兩臺不同的照明光源分別照射屏幕兩側的測試卡，如圖4所示。