細(xì)說安防寬動(dòng)態(tài)技術(shù)及NEW進(jìn)展

摘要：在安防監(jiān)控應(yīng)用中， 經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景， 例如對(duì)準(zhǔn)大門或窗戶拍攝;由于整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域曝光過度，較暗的區(qū)域欠曝光， 從而不能看清楚圖像最亮與最暗部分，即高亮的部分成像為白色，暗部呈現(xiàn)為黑色。早期采用背光補(bǔ)償技術(shù)， 或干脆放置兩臺(tái)攝像機(jī)來適應(yīng)較大的光線反差， 但效果不是非常理想， 因此誕生了寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，較好地解決了這一問題。

　　對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的CCD和CMOS圖像傳感器來說，所有感光單元的曝光(收集光子)時(shí)間都是相同的;在相同的時(shí)間內(nèi)，感光單元對(duì)畫面明亮部分收集的光子較多，對(duì)陰暗部分收集的光子則較少。但是，感光單元能夠收集的光子數(shù)量還受到阱容量(well capacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調(diào)的感光單元有可能會(huì)溢出或飽和;為防止出現(xiàn)這種情況，可以減少曝光時(shí)間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調(diào)的感光單元可能又無法收集到足夠多的光，無法成像。

　　即對(duì)于典型的單次曝光的圖像傳感器來說，如果曝光時(shí)間過長，則明亮部分的像素將出現(xiàn)溢出，呈現(xiàn)白色;而如果降低曝光時(shí)間，則較暗部分的像素將由于沒有足夠的光，呈現(xiàn)黑色。

　　所以攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)(WDR，Wide Dynamic Range)能力對(duì)于視頻監(jiān)控來說是非常重要的指標(biāo)之一。攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大，則視頻監(jiān)控畫面所呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)就更豐富，色彩空間更廣，逆光拍攝的能力就越強(qiáng)。

　　寬動(dòng)態(tài)能力一般用“動(dòng)態(tài)范圍”來表述，即亮度變化值的最低端極點(diǎn)到最高端極點(diǎn)之間的區(qū)域。在量化描述上，通常采用視頻幀中可識(shí)別的最亮亮度信號(hào)值與最暗亮度信號(hào)值的比值(×倍);可按照換算公式：N dB=20log(亮度比值)將上述比值以分貝(dB)標(biāo)示。

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)

　　背光/逆光補(bǔ)償

　　背光補(bǔ)償，也稱為逆光補(bǔ)償，是早期應(yīng)對(duì)強(qiáng)光或強(qiáng)逆光視頻監(jiān)控環(huán)境的方法，它的原理是：

　　在強(qiáng)光或強(qiáng)逆光等環(huán)境下，由于視場(chǎng)中包含一個(gè)很亮的區(qū)域，導(dǎo)致AGC檢測(cè)到的信號(hào)電平并不低，因此放大器的增益很低，此時(shí)畫面中希望拍攝的目標(biāo)成像昏暗，無層次。背光補(bǔ)償技術(shù)是把畫面分成幾個(gè)不同的區(qū)域，攝像機(jī)根據(jù)各個(gè)區(qū)域的平均信號(hào)電平來確定AGC電路增益;背光補(bǔ)償技術(shù)提高AGC放大器的增益，使輸出信號(hào)的幅值提高，從而使被拍攝目標(biāo)的亮度提升，監(jiān)控畫面的可視性得到改善。

　　由于逆光補(bǔ)償只是簡(jiǎn)單提升了拍攝目標(biāo)的亮度，沒有實(shí)際拓展動(dòng)態(tài)范圍，所以改善效果有限;對(duì)亮區(qū)很容易過曝，整體圖像質(zhì)量和色彩還原等都會(huì)有一定的下降。
　二次/多次曝光技術(shù)

　　傳統(tǒng)的CCD/CMOS圖像傳感器在采集一幅圖像的過程中只對(duì)整個(gè)圖像采樣一次，這樣圖像中超出動(dòng)態(tài)范圍之外的明亮、較暗區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)過度曝光，欠曝光的現(xiàn)象。

　　二次/多次曝光技術(shù)中圖像傳感器對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行二次或多次曝光，每次曝光的時(shí)間長度不同;然后用圖像合成算法對(duì)不同曝光的畫面進(jìn)行處理和重新組合，這樣就能同時(shí)兼顧畫面中明亮、較暗區(qū)域，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚;該功能在圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍性能沒有提升的情況下，將攝像機(jī)的有效動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行了擴(kuò)展。

　　由于CCD 圖像傳感器讀取速度的限制， 即使采用二次曝光取樣方式， 攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍最大只能到72dB。而當(dāng)前采用CMOS圖像傳感器的攝像機(jī)采用二次曝光技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到90dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

　　但二次/多次曝光技術(shù)也有其明顯的局限性——?jiǎng)討B(tài)物體拍攝。以二次曝光為例，對(duì)于在畫面中以較高速度運(yùn)動(dòng)的物體，短曝光和長曝光拍攝到的物**于畫面的不同位置，算法如何將不同位置的物體整合為一個(gè)成為難題。所以，采用多次曝光技術(shù)的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)一般只能用于目標(biāo)對(duì)象運(yùn)動(dòng)速度較慢的監(jiān)控場(chǎng)景中;如果畫面中有較快運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則會(huì)因出現(xiàn)鬼影等問題導(dǎo)致場(chǎng)景嚴(yán)重失真。

　　Pixim公司的DPS (數(shù)字像素傳感器) 技術(shù)

　　美國Pixim公司在本世紀(jì)初研發(fā)了一種基于CMOS技術(shù)的新型的圖像采集系統(tǒng)——DPS(數(shù)字像素傳感器);DPS技術(shù)同時(shí)提升了一幅圖像中高亮和較暗區(qū)域的影像拍攝效果;可以在圖像傳感器上直接獲得遠(yuǎn)高于普通CCD/CMOS的動(dòng)態(tài)范圍;DPS技術(shù)的出現(xiàn)是一項(xiàng)劃時(shí)代的成就。

　　傳統(tǒng)的CCD 和CMOS攝像機(jī)傳感器都是為每一列或每一行像素點(diǎn)配備一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，每個(gè)像素點(diǎn)的輸出都是模擬光信號(hào)，要排隊(duì)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器后才能轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);存在著噪聲大和輸出時(shí)間長等缺點(diǎn)。DPS圖像傳感器是在圖像傳感器的每一個(gè)像素點(diǎn)上包含了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，即在有源像素捕捉到光信號(hào)時(shí)，直接將其放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 從而最大程度地降低了圖像信號(hào)的衰減和干擾，可以大幅度提高信噪比。

　　此外，DPS圖像傳感器采用了ARM CPU精確控制每個(gè)像素，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)像素單獨(dú)采樣和曝光，即可根據(jù)明暗程度，控制每個(gè)像素點(diǎn)的曝光時(shí)間;從數(shù)值上來說，采用DPS技術(shù)的CMOS攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍可至120dB或更高;而且在獲得超高動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，DPS技術(shù)不僅解決了背光補(bǔ)償在圖像質(zhì)量和色彩還原上的不足，更解決了二次/多次曝光所帶來的虛影問題。

　　由于DPS是基于每個(gè)像素單獨(dú)處理的技術(shù)，每個(gè)像素都包含一套完整的處理電路，該處理電路將擠占像素的感光面積;尤其是10多年前芯片加工工藝還處于微米級(jí)，處理電路的面積嚴(yán)重影響了像素的感光量;其結(jié)果是基于DPS技術(shù)的圖像傳感器，靈敏度有顯著下降;且難以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率;這些都限制了DPS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　并行雙增益列放大器技術(shù)

　　在2012年就有企業(yè)推出了采用并行雙增益列放大器技術(shù)的200萬像素星光級(jí)圖像傳感器;該圖像傳感器采用6.5um像素，讀取噪聲低至1.2個(gè)電子;更集成了4096個(gè)高倍/低倍放大器，每個(gè)像素的有效數(shù)據(jù)達(dá)到16位，單次曝光即可實(shí)現(xiàn)90dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

　　并行雙增益列放大器技術(shù)可以看作是在當(dāng)前芯片制造工藝下對(duì)DPS技術(shù)的改良——相對(duì)于CCD/CMOS整個(gè)圖像傳感器只有一個(gè)或數(shù)個(gè)高倍放大器的方式，該星光級(jí)圖像傳感器擁有4096個(gè)高倍/低倍放大器，大大擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。但相對(duì)于DPS為每個(gè)像素都配置一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的方式，此星光級(jí)圖像傳感器所擁有的4096個(gè)高倍/低倍放大器電路對(duì)像素有效感光面積的影響非常小，從而不會(huì)影響傳感器的靈敏度。

　　從多次實(shí)測(cè)的效果看，采用該技術(shù)的星光高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)具有良好的寬動(dòng)態(tài)表現(xiàn);尤其是在背光、夜間車燈等寬動(dòng)態(tài)環(huán)境下能出色地還要運(yùn)動(dòng)物體的圖像，沒有拖影等現(xiàn)象，給車輛、人員等目標(biāo)的細(xì)節(jié)識(shí)別帶來便利。

　　未來的發(fā)展

　　據(jù)悉，已有公司正在研制基于并行三增益列放大器技術(shù)的星光二代傳感器;該傳感器的單次曝光動(dòng)態(tài)范圍從90dB提升為120dB，可見未來寬動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越強(qiáng)。

　　同時(shí)，伴隨圖像傳感器芯片制造工藝精度的不斷提升，DPS圖像傳感器每個(gè)像素中因?yàn)榘芏鄠€(gè)晶體管而帶來的有效感光面積過小的弊端將被逐步克服;該技術(shù)在超寬動(dòng)態(tài)和超低噪聲方面的優(yōu)勢(shì)將被帶入到高清時(shí)代，其與“人眼一大腦”系統(tǒng)相同的工作模式將引領(lǐng)視頻監(jiān)控圖像傳感器進(jìn)入到智能圖像處理時(shí)代——人眼和大腦在對(duì)圖像進(jìn)行處理和運(yùn)算的同時(shí)， 不斷向人眼(圖像傳感器)下達(dá)指令，不僅調(diào)整曝光時(shí)間， 而且實(shí)時(shí)改變圖像捕捉算法，獲得更詳盡完整和真實(shí)的圖像細(xì)節(jié)，從而獲得最佳的圖像效果。