寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

源于斯坦福大學(xué)的PiximDPS成像技術(shù)，申請(qǐng)了56項(xiàng)專利，其中42項(xiàng)已經(jīng)生效。世界著名攝像機(jī)制造商池上公司(Ikegami)采用該技術(shù)及其廣播級(jí)攝像機(jī)部分技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控?cái)z像機(jī)，2005年10月推出池上ISD-A10攝像機(jī)，一經(jīng)問(wèn)世它就以比傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)優(yōu)異的寬動(dòng)態(tài)效果、色彩真實(shí)還原及高清晰度，得到歐美金融機(jī)構(gòu)、安全行業(yè)等用戶的廣泛好評(píng)。

??? 一、寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)發(fā)展過(guò)程

??? 安防行業(yè)是一個(gè)發(fā)展迅速的市場(chǎng),通過(guò)視頻監(jiān)控可以看出這個(gè)市場(chǎng)的廣闊前景和成長(zhǎng)情況。視頻監(jiān)控市場(chǎng)包括攝像機(jī)、監(jiān)視器、數(shù)字錄像機(jī)、音視頻矩陣、畫(huà)面處理器等產(chǎn)品。近期世界范圍內(nèi)的一些事件促進(jìn)了在視頻監(jiān)控產(chǎn)品需求的增長(zhǎng)，尤其是對(duì)具有高品質(zhì)視頻圖像產(chǎn)品的需求。

??? 在監(jiān)控?cái)z像機(jī)的應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景。出于安全考慮，CCD攝像機(jī)被安裝在需要監(jiān)控的室內(nèi)外，由于在同一位置往往會(huì)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(shí)段下出現(xiàn)明暗反差非常大、背光等情況，如在銀行儲(chǔ)蓄所、重要場(chǎng)所出入口等，因?yàn)閺拇巴馍淙氲膹?qiáng)光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對(duì)當(dāng)時(shí)室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時(shí)反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景清晰地拍攝下來(lái)。然而對(duì)于保安行業(yè)來(lái)說(shuō)，要求在復(fù)雜的光線條件下，拍攝出清晰畫(huà)面，不丟失細(xì)節(jié)。普通攝像機(jī)由于受CCD感光特性所限制，拍攝圖像會(huì)出現(xiàn)背景過(guò)亮前景過(guò)暗，或背景清晰前景過(guò)暗及前景適合背景過(guò)亮的情況，傳統(tǒng)攝像機(jī)一般會(huì)采用背光補(bǔ)償技術(shù)或在室內(nèi)外放置兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)適應(yīng)較大的光線反差，但效果不太理想。針對(duì)這種情況寬動(dòng)態(tài)技術(shù)誕生了。

??? 1977年松下公司推出第一代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，它的寬動(dòng)態(tài)范圍是40倍。到了1999年松下公司推出第二代超級(jí)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，它的寬動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到80倍（48dB）。2005年4月松下的第三代超級(jí)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)問(wèn)世了，它的寬動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到160倍（54dB）。目前寬動(dòng)態(tài)技術(shù)主要由國(guó)外一些大的攝像機(jī)制造商掌握，雖然各家的技術(shù)方式方法不同但在使用CCD實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)的原理基本一致。寬動(dòng)態(tài)的主要技術(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(mén)速度曝光，然后再對(duì)暗的部分用最合適的快門(mén)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都可以看得清楚，這需要很高的技術(shù)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(jī)寬動(dòng)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(shù)的超寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)ISD-A10，它的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)120dB,并具有非常好的色彩還原和清晰度。它標(biāo)志著寬動(dòng)態(tài)技術(shù)有了巨大的突破，新一代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)已經(jīng)站在更高一層的起點(diǎn)上向前跨出一大步。

??? 二、Pixim的DPS技術(shù)超級(jí)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)問(wèn)世

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

??? 下面的圖像顯示Pixim攝像機(jī)和普通CCD攝像機(jī)在相同場(chǎng)景下的比較。

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??? 這次池上公司將其在攝像機(jī)領(lǐng)域領(lǐng)先的低垂直光斑和背光補(bǔ)償、色彩調(diào)節(jié)等技術(shù)與Pixim技術(shù)相結(jié)合，推出超級(jí)動(dòng)態(tài)ISD-A10攝像機(jī)。

??? 在任何光亮條件的正常的或?qū)拕?dòng)態(tài)范圍場(chǎng)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(shù)拍攝實(shí)際圖像時(shí)，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(shí)別差和圖像色彩還原差等缺陷，而用Pixim成象技術(shù)的連貫性和準(zhǔn)確性克服了這些缺陷。DPS圖像傳感器在每一個(gè)像素上將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使得每一個(gè)像素有獨(dú)立的和最優(yōu)化的曝光時(shí)間來(lái)產(chǎn)生高品質(zhì)、高顏色精度的圖像。

??? 三、Pixim的DPS技術(shù)背景

??? Pixim公司開(kāi)發(fā)研制出一種優(yōu)于傳統(tǒng)CCD的有專利的DPS成像技術(shù)，它標(biāo)志著圖像技術(shù)在基礎(chǔ)原理上的突破。DPS技術(shù)由美國(guó)斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授AbbaselGamal與其帶領(lǐng)的博士研究生DavidYang(楊曉東)于1993年開(kāi)發(fā)而成，后來(lái)被授權(quán)給楊曉東博士于1999年創(chuàng)立的Pixim公司。自此以后,Pixim公司對(duì)DPS概念和技術(shù)申請(qǐng)了56項(xiàng)專利，其中42項(xiàng)已經(jīng)生效。

??? DPS成像技術(shù)在視頻攝像捕捉和處理圖像過(guò)程中有著變革性的意義。采用該技術(shù)拍攝出高質(zhì)量的移動(dòng)和靜止圖像超過(guò)任何現(xiàn)有的其它技術(shù)。所謂DPS平臺(tái),通過(guò)在一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi),將圖像捕捉和處理結(jié)合起來(lái)，Pixim的成像系統(tǒng)具有無(wú)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(gè)圖像傳感器、圖像處理器、攝像機(jī)參考設(shè)計(jì)方法,軟件和關(guān)鍵算法,使攝像機(jī)易于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和形成高質(zhì)量、高級(jí)性能的攝像機(jī)。

??? 四、Pixim的DPS技術(shù)的基本原理

??? DPS技術(shù)的核心發(fā)明是在每個(gè)象素點(diǎn)在捕捉圖像時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)——由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC(analog-to-digitalconverter),這樣使信號(hào)衰減和色度亮度串?dāng)_降到最小，使傳感器為每個(gè)像素提供最佳、獨(dú)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(hào)處理技術(shù)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(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景，都能拍出還原準(zhǔn)確的低噪波圖像。

??? Pixim的DPS技術(shù)使用被稱為“多點(diǎn)采樣”的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)用于收集信息，以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的圖像和寬動(dòng)態(tài)范圍。在一個(gè)單獨(dú)的捕獲畫(huà)面（在視頻中一般每秒50到60次），每個(gè)像素被獨(dú)立地?zé)o破壞性地多次取樣。成像系統(tǒng)決定最佳取樣時(shí)間和存儲(chǔ)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(chǔ)在時(shí)間軸T2，在它達(dá)到100%飽和前的最近一次抽樣時(shí)間。

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??? 暗的象素積累電荷更慢一點(diǎn)而且將用更多的時(shí)間直到它被取樣存儲(chǔ)在T6。每個(gè)象素捕捉到的存儲(chǔ)信息值（強(qiáng)度、時(shí)間、噪波彌補(bǔ)）被并行處理，然后轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的圖像。對(duì)比之下，其它技術(shù)每幀設(shè)定一個(gè)曝光時(shí)間，并同時(shí)對(duì)每個(gè)像素取樣，結(jié)果導(dǎo)致一些圖像的象素曝光不足（太暗了），還有一些像素曝光過(guò)度了（太亮了）。

??? Pixim的第一個(gè)基于DPS技術(shù)產(chǎn)品D2000視頻成像系統(tǒng)是由數(shù)字成像傳應(yīng)器和數(shù)字圖像處理器組成。數(shù)字成像傳應(yīng)器和數(shù)字圖像處理器很像人的眼睛和大腦，雙向?qū)崟r(shí)交互捕獲可能的最高質(zhì)量的圖像。就像人走進(jìn)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(jìn)入傳感器不僅改變曝光時(shí)間而且改變實(shí)際圖像捕捉計(jì)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?yàn)槊恳幌笏囟加凶约旱哪M-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的信息被獨(dú)立捕捉和處理，每一個(gè)象素在其攝像機(jī)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(gè)象素的曝光時(shí)間被調(diào)節(jié)去處理獨(dú)特的光條件。基于DPS系統(tǒng)平臺(tái)制造的一個(gè)攝像機(jī)實(shí)質(zhì)上都有成千上萬(wàn)的獨(dú)立攝象單元，每個(gè)攝象單元機(jī)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(lái)創(chuàng)造一幀高質(zhì)量的視頻畫(huà)面或圖片。由于成象技術(shù)不斷向整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)靠近，Pixim的DPS技術(shù)將會(huì)給高質(zhì)量的視頻攝像機(jī)和照相機(jī)提供圖像捕捉和處理基礎(chǔ)。

??? 五、傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)和Pixim攝像機(jī)性能比較

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

??? PIXIM技術(shù)推動(dòng)了寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字視頻。你眼睛看到的畫(huà)面并不是你能拍到的畫(huà)面，至少不是通過(guò)數(shù)字視頻得到的。使用CCD圖像傳感器的最大問(wèn)題是拍攝的圖像效果遠(yuǎn)不如眼睛看到的圖像。眼睛可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用連續(xù)變化的光線，看到最理想圖像。當(dāng)眼睛看到一幅包含亮光和暗光的場(chǎng)景時(shí)，能夠減少對(duì)強(qiáng)光區(qū)域的敏感度，增加對(duì)黑暗物體和陰影部分的細(xì)節(jié)的敏感度。

??? 一個(gè)CCD傳感器可以調(diào)節(jié)亮景和暗景，但是不能同時(shí)對(duì)兩個(gè)亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此當(dāng)你扛著攝像機(jī)在屋內(nèi)來(lái)回走動(dòng)的時(shí)候，得到的曝光效果是不錯(cuò)的。但是如果你的鏡頭對(duì)著陽(yáng)光照射的玻璃時(shí)，這個(gè)攝像機(jī)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(méi)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(huì)影響到家用攝像機(jī)的功能，而且也被經(jīng)常用到電影里以達(dá)到藝術(shù)效果。但在安防攝像機(jī)市場(chǎng)使這種效果不可取。如果壞人躲在陰影下，你就不能夠識(shí)別它。如果強(qiáng)光照射的場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)丟失了就可能失去有價(jià)值的線索。

??? PIXIM用一個(gè)新的CMOS傳感器技術(shù)——DPS解決了這個(gè)問(wèn)題。盡管前景是強(qiáng)光的條件下，陰影部分物體仍然清晰可見(jiàn)。強(qiáng)光區(qū)域的物體也沒(méi)有遺失。PIXIM攝像機(jī)與CCD攝像機(jī)雙畫(huà)面對(duì)比的例子生動(dòng)且有說(shuō)服力，而且在安防攝像機(jī)工業(yè)方面被認(rèn)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(shù)，應(yīng)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(duì)象素的基礎(chǔ)上觀察和處理圖片。隨機(jī)的ARM-100處理器使得攝像機(jī)制造商可以選擇PAL或者NTSC輸出和動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)敏感度。

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?? 寬動(dòng)態(tài)范圍WDR

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

??? 色彩準(zhǔn)確性

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??? 基于Pixim技術(shù)的攝像機(jī)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(duì)比度的差別。

??? 極端光線環(huán)境

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??? 在珠寶店內(nèi)有強(qiáng)光照射，Pixim攝像機(jī)不受強(qiáng)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(jī)比其他技術(shù)的攝像機(jī)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(jī)顯示更好的圖像質(zhì)量。基于CCD攝像機(jī)在白平衡和色彩準(zhǔn)確有缺陷。注意Pixim攝像機(jī)得到所有細(xì)節(jié)彩色圖，襯衫上的細(xì)節(jié)和墻上圖像色彩準(zhǔn)確度。

??? 六、寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的應(yīng)用

??? 目前監(jiān)控?cái)z像機(jī)市場(chǎng)的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)種類繁多，很多產(chǎn)品已經(jīng)從第一代發(fā)展到第三代，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣和使用效果越來(lái)越好，如銀行和金融機(jī)構(gòu)的對(duì)外營(yíng)業(yè)部門(mén)、高速公路收費(fèi)站、賓館寫(xiě)字樓及重要設(shè)施的出入口等光線變化大的場(chǎng)所。但現(xiàn)在很多寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)使用合成技術(shù)，如果技術(shù)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(dá)不到要求等現(xiàn)象。隨著CCD寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的發(fā)展和新的CMOS技術(shù)的應(yīng)用，攝像機(jī)制造商將為市場(chǎng)帶來(lái)更多更好的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。

??? 在CCTV監(jiān)控系統(tǒng)中，前端攝像機(jī)占據(jù)著非常重要的位置。在選擇寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)時(shí)，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手：

??? 1、根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所和監(jiān)控目標(biāo)，選擇參數(shù)、指標(biāo)、功能要求的攝像機(jī)。

??? 2、通過(guò)樣品演示，核實(shí)標(biāo)出的產(chǎn)品參數(shù)、指標(biāo)、功能是否與產(chǎn)品一致，實(shí)測(cè)拍攝圖像的清晰度、寬動(dòng)態(tài)效果、彩色還原是否真實(shí)。

??? 3、選擇可靠性高的攝像機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)建成后，若攝像機(jī)的質(zhì)量、可靠性不能保證，需要經(jīng)常維修、調(diào)整或運(yùn)行一段時(shí)間圖像質(zhì)量下降、損壞，這些給用戶帶來(lái)的損失可能超過(guò)購(gòu)買攝像機(jī)的費(fèi)用。

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

??? PiximDPS技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑將給寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)活力，但真正能將該技術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致，還要看制造商的技術(shù)實(shí)力。就像很多生產(chǎn)廠家都可以用CCD器件生產(chǎn)攝像機(jī)，但技術(shù)上領(lǐng)先的還是幾家知名品牌的制造商。

??? 以Ikegami池上ISD-A10攝像機(jī)為代表的Pixim芯片攝像機(jī)，其價(jià)格并不比傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)高，在2005年底面市至今，經(jīng)過(guò)全世界范圍很多用戶長(zhǎng)時(shí)間使用和觀察，得到廣泛的認(rèn)可和好評(píng)。