寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)能解決應(yīng)用中所遇到的所有背光問(wèn)題嗎?

　　在監(jiān)控?cái)z像機(jī)的使用中為了能看清楚同一個(gè)圖像里的明亮與暗淡的部分,背光補(bǔ)償技術(shù)被最先提出并應(yīng)用到了實(shí)際環(huán)境中,來(lái)解決這種問(wèn)題.但這種技術(shù)只是部分解決了背光的情況,對(duì)于畫(huà)面整體的畫(huà)面明暗調(diào)節(jié)還是不能達(dá)到另人滿意的效果.而之后便又有了一種叫做寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的技術(shù)出現(xiàn),并試圖填補(bǔ)了背光補(bǔ)償技術(shù)針對(duì)明暗處理效果的不足,而實(shí)際用中這種技術(shù)也確實(shí)大大提高了攝像機(jī)對(duì)背光環(huán)境的適應(yīng)能力.

　　現(xiàn)在寬動(dòng)態(tài)技術(shù)能很好的解決畫(huà)面明暗之間的把反差問(wèn)題.并廣泛的運(yùn)用于背光比較多的銀行ATM機(jī),大廳的服務(wù)窗口等經(jīng)常有強(qiáng)光直接影響的地方,這種能看清楚背光下的前景與背景的攝像機(jī)比起簡(jiǎn)單的背光補(bǔ)償功能是一個(gè)極大進(jìn)步.

　　然寬動(dòng)態(tài)技術(shù)出來(lái)了幾年后,隨著有了CCD和DPS兩種主流技術(shù)的相繼出現(xiàn).而且在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中也有了背光補(bǔ)償不可取代的優(yōu)勢(shì)但是做為能將攝像機(jī)具有人眼功能的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是怎樣以人眼的工作方式來(lái)適應(yīng)所有的背光環(huán)境的呢,它有沒(méi)有其不可避免的局限性呢?

　　寬動(dòng)態(tài)的特色

　　DPS寬動(dòng)態(tài)目前以最大120Db的動(dòng)態(tài)范圍一直被看做是未來(lái)寬動(dòng)態(tài)發(fā)展的重要趨勢(shì).其最大的特點(diǎn)就是每個(gè)像素能夠控制其多次采樣和曝光的能力與時(shí)間.就像人的眼晴一樣,能根據(jù)自己想看的事物光線的強(qiáng)弱調(diào)節(jié).

　　寬動(dòng)態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中的效果如下

　　傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)單次采樣曝光的圖像

　　DPS攝像機(jī)逐點(diǎn)采樣多次曝光的圖像

[nextpage]　　寬動(dòng)態(tài)的發(fā)展歷史

　　CCD成像器件在上世紀(jì)60年代初開(kāi)始應(yīng)用，現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)非常成熟。從數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)到專業(yè)廣播級(jí)攝像機(jī)大部分在使用CCD。但在廣播級(jí)攝像機(jī)世界排名首位的池上公司新推出的廣播級(jí)高清硬磁盤(pán)攝錄一體機(jī)是采用2/3英寸3CMOS成像的，各項(xiàng)指標(biāo)都不低于CCD攝像機(jī)。在監(jiān)控行業(yè)一直是CCD攝像機(jī)的天下，但近兩年DPS成像技術(shù)的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)漸漸進(jìn)入人們的視線。從原理上講，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)是采用2次曝光技術(shù)進(jìn)行DPS處理，而DPS(Digital Pixel System)數(shù)字成像系統(tǒng)，是每個(gè)像素點(diǎn)將光信號(hào)直接轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)，每個(gè)像素點(diǎn)根據(jù)射入光線的亮度計(jì)算曝光時(shí)間，它的寬動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到120dB 。從原理上講DPS技術(shù)更先進(jìn)，它能像人的眼睛所具有的寬動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能。雖然它剛剛投入商業(yè)運(yùn)作才兩三年，芯片組從D1000、D1500、D2000到D2500幾種，圖像清晰度從480線提升到540線，最低照度從1.0Lux/F1.2,到0.5Lux/F1.2，但已經(jīng)在寬動(dòng)態(tài)方面顯示出優(yōu)異的性能。由于CCD在原理上的局限性，在寬動(dòng)態(tài)技術(shù)上不可能有很大的發(fā)展，而DPS技術(shù)還處于年輕的發(fā)展期，因此在寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的照度上，還達(dá)不到很好的指標(biāo)，在光線很強(qiáng)的白天，寬動(dòng)態(tài)效果很好，在光線較暗的時(shí)候，寬動(dòng)態(tài)效果不明顯。但隨著DPS技術(shù)的發(fā)展，它的全項(xiàng)指標(biāo)將趕超CCD，將逐漸接近人眼的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，而寬動(dòng)態(tài)功能也將成為攝像機(jī)必備的基本功能。

　　其優(yōu)勢(shì)在哪,缺點(diǎn)在哪?

　　那寬動(dòng)態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)在哪里呢?我們先從寬動(dòng)態(tài)的概念來(lái)認(rèn)識(shí)它.

　　什么叫寬動(dòng)態(tài)?簡(jiǎn)單地說(shuō)寬動(dòng)態(tài)就是場(chǎng)景中特別亮的部位和特別暗的部位同時(shí)都能看得特別清楚。寬動(dòng)態(tài)范圍是圖像能分辨最亮的亮度信號(hào)值與能分辨的最暗的亮光信號(hào)值的比值。

　　寬動(dòng)態(tài)的表現(xiàn)方式以“倍數(shù)”或“dB”來(lái)表示，在以100IRE為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，換算公式：N dB=20log(V2/V1)。普通攝像機(jī)(稱V1)的寬動(dòng)態(tài)值為10dB ,如寬動(dòng)態(tài)為48 dB ，與普通攝像機(jī)之間的差為38 dB，V2/V1=80，說(shuō)明與普通攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)差為80倍，松下第三代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)是54 dB，V2/V1=160倍。

　　池上ISD-A10攝像機(jī)典型動(dòng)態(tài)范圍95 dB，V2/V1=17782倍，最大寬動(dòng)態(tài)范圍120dB，V2/V1=316227倍。

　　從“倍數(shù)”上看，采用Pixim DPS技術(shù)的攝像機(jī)，寬動(dòng)態(tài)范圍要比CCD寬動(dòng)態(tài)范圍有極大的提高。

　　對(duì)于DPS技術(shù)，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的光線都可以優(yōu)化曝光，每一幀數(shù)據(jù)讀取時(shí)間只需0.8毫秒(傳統(tǒng)CCD技術(shù)則需數(shù)十毫秒)，這樣系統(tǒng)可以對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行多次單獨(dú)采樣;而成像系統(tǒng)控制著每個(gè)像素的最佳采樣時(shí)間，在每個(gè)像素達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)像素信息。在所有像素被采集后，系統(tǒng)再對(duì)其進(jìn)行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像。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(huì)因?yàn)殛幱啊⒀９?、反射和太?yáng)光而使圖像發(fā)暗或被破壞。

　　DPS攝像機(jī)工作原理圖

　　采用傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的攝像機(jī)在采集一幅圖像的過(guò)程中只對(duì)整個(gè)圖像采樣一次，必然會(huì)出現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域過(guò)度曝光，或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。CCD寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP(數(shù)字信號(hào)處理)電路，對(duì)明亮部分進(jìn)行最合適的快門速度曝光，然后再對(duì)暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個(gè)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。由于CCD的感光特性所限制，在技術(shù)上很難在有重大突破，有的CMOS技術(shù)已經(jīng)達(dá)到160dB,可以說(shuō)未來(lái)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)屬于寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)屬于CMOS 。

　　雖然DPS寬動(dòng)態(tài)技術(shù)比CCD有更大范圍.其完全不同的明音處理方式是CCD所無(wú)法達(dá)到的.可是DPS寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是基于CMOS圖像成像器件,其最大的缺點(diǎn)就是照度不是很低,只要是在光線偏暗的環(huán)境就能出現(xiàn)明顯的噪點(diǎn).讓使用者難以看到陽(yáng)光充足時(shí)的完美圖片了.而CCD在這方面卻比CMOS要表現(xiàn)優(yōu)秀,可是CCD由于是采用雙速成像的原理.其處理后的畫(huà)質(zhì)遠(yuǎn)比不上DPS技術(shù)寬動(dòng)效果來(lái)得逼真.其實(shí)CCD寬動(dòng)態(tài)功能實(shí)際上是一種背光補(bǔ)償?shù)纳?jí)版.在提高前景亮度時(shí)背景甚至整個(gè)畫(huà)面的亮度也就不可必免的也變亮了.所以在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于有寬動(dòng)態(tài)的功能的針孔攝像機(jī)對(duì)這種受這種因素的影響非常大,而安裝人員往往只能通過(guò)另調(diào)安裝角度盡量避開(kāi)強(qiáng)光的干擾.所以寬動(dòng)態(tài)技術(shù)也并不能完全解決我們使用中所遇到的所有背光情況.

[nextpage]　　寬動(dòng)態(tài)中的噪音如何消除----數(shù)字降噪技術(shù)是真實(shí)有用還是只是個(gè)噱頭

　　DNR (Digital Noise Reduction)為數(shù)字降噪技術(shù)，用數(shù)字處理降低混雜在視頻信號(hào)中的雜質(zhì)。特別多是指監(jiān)控硬盤(pán)刻錄機(jī)和DVD播放器中的將錄像機(jī)和電視中視頻信號(hào)雜質(zhì)降低的處理功能。

　　作為代表性的視頻信號(hào)DNR手法，它從視頻信號(hào)中將亮度信號(hào)(Y)和顏色信號(hào)(C)分離(Y/C分離)，分別對(duì)它們施與數(shù)字處理,將亮度信號(hào)中的雜質(zhì)(飄飛·粗澀)及顏色信號(hào)中的雜質(zhì)(多余的顏色信息)去除。

　　另外,還有從每個(gè)影像的框架中的不同查出并除去雜質(zhì)的3維數(shù)字降噪(3DNR)等手法。

　　現(xiàn)在銷售的產(chǎn)品一般是進(jìn)行了Y/C分離之后，分別對(duì)Y信號(hào)，C信號(hào)進(jìn)行3DNR的手法。

　　數(shù)字降噪在實(shí)際應(yīng)用中效果到底有多明顯,其實(shí)在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)功能只是一個(gè)錦上添花的功能,更多的像是一個(gè)概念噱頭.而真正要想降低噪音還有待新的寬動(dòng)態(tài)產(chǎn)品的問(wèn)世.

　　跟CCD的寬動(dòng)態(tài)效果相比DPS的優(yōu)勢(shì)是值得做為未來(lái)寬動(dòng)態(tài)市場(chǎng)的引跑者.但它有也它自己的不盡人意之處,噪音過(guò)多,照度不低.未來(lái)該如何改進(jìn)呢

　　寬動(dòng)態(tài)末來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

　　近來(lái)SONY 針對(duì)降低噪點(diǎn)問(wèn)題另一種新的技術(shù)又開(kāi)始孕育而生------EFFIO方案.

　　SONY針對(duì)影像監(jiān)控?cái)z影機(jī)開(kāi)發(fā)了”EFFIO”數(shù)位記號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP),提供高解析畫(huà)質(zhì),高信噪比(Signal Noise Ratio,SNise Ratio,SNR,就是信號(hào)與噪音的比值,比值越高,表示機(jī)器所輸出的記號(hào)品質(zhì)越好)及高色彩重現(xiàn)能力.

　　EFFIO DSP支持NTSC規(guī)格480K有效像素CCD,以及PAL規(guī)格570K有效像素CCD.

　　透過(guò)EFFIO DSP與新款CCD搭配,能達(dá)到超過(guò)650條TV LINES的水平解析度,相較于一般標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī),這樣的方式能提供更清楚的影像畫(huà)質(zhì),其顏色記號(hào)處器提供理想的顏色亮度及濃度平衡.

　　EFFIO DSP結(jié)合了2D和3D雜訊抑制記號(hào)處理器,能降低雜訊,即使拍攝移動(dòng)中的目標(biāo)物,也無(wú)損動(dòng)態(tài)解析度.

　　值得關(guān)注的是Effio DSP支持寬動(dòng)態(tài)(Wind DynamicRange,WDR) 的CCD,因此,在背光及亮度反差極大的環(huán)境下,也能呈現(xiàn)淺析的影像畫(huà)面.其特色的色階處理功能,能夠?qū)档谋尘傲炼忍嵘粫?huì)明顯地提高前景整個(gè)畫(huà)面的亮度.

　　Effio DSP能提高「Super HAD CCD II」效能。Sony的影像感應(yīng)器擁有高穩(wěn)定度及敏感度，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控?cái)z像機(jī)中。

　　此外，Effio DSP結(jié)合了周邊電路，不僅能因此縮小攝像機(jī)體積,還能減少電力消耗.

　　總述,在寬動(dòng)態(tài)的發(fā)展過(guò)程中,人們并不是只用一種途徑來(lái)解決攝像機(jī)的背光問(wèn)題,而且出現(xiàn)了多種技術(shù)共同發(fā)展的趨勢(shì),這倒不但讓我們安防人對(duì)未來(lái)攝像機(jī)的發(fā)展看了些許希望.我們還是有理由相信,未來(lái)寬動(dòng)態(tài)的發(fā)展會(huì)比我們想像還要快的速度進(jìn)行技術(shù)更新.會(huì)有更令人滿意的效果呈現(xiàn)出來(lái)