細說安防寬動態(tài)技術及NEW進展

摘要：在安防監(jiān)控應用中， 經(jīng)常會出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景， 例如對準大門或窗戶拍攝;由于整個圖像中明亮的區(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。早期采用背光補償技術， 或干脆放置兩臺攝像機來適應較大的光線反差， 但效果不是非常理想， 因此誕生了寬動態(tài)技術，較好地解決了這一問題。

　　對于標準的CCD和CMOS圖像傳感器來說，所有感光單元的曝光(收集光子)時間都是相同的;在相同的時間內(nèi)，感光單元對畫面明亮部分收集的光子較多，對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溢出或飽和;為防止出現(xiàn)這種情況，可以減少曝光時間。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。

　　即對于典型的單次曝光的圖像傳感器來說，如果曝光時間過長，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。

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

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

　　寬動態(tài)技術

　　背光/逆光補償

　　背光補償，也稱為逆光補償，是早期應對強光或強逆光視頻監(jiān)控環(huán)境的方法，它的原理是：

　　在強光或強逆光等環(huán)境下，由于視場中包含一個很亮的區(qū)域，導致AGC檢測到的信號電平并不低，因此放大器的增益很低，此時畫面中希望拍攝的目標成像昏暗，無層次。背光補償技術是把畫面分成幾個不同的區(qū)域，攝像機根據(jù)各個區(qū)域的平均信號電平來確定AGC電路增益;背光補償技術提高AGC放大器的增益，使輸出信號的幅值提高，從而使被拍攝目標的亮度提升，監(jiān)控畫面的可視性得到改善。

　　由于逆光補償只是簡單提升了拍攝目標的亮度，沒有實際拓展動態(tài)范圍，所以改善效果有限;對亮區(qū)很容易過曝，整體圖像質(zhì)量和色彩還原等都會有一定的下降。
　二次/多次曝光技術

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

　　二次/多次曝光技術中圖像傳感器對場景進行二次或多次曝光，每次曝光的時間長度不同;然后用圖像合成算法對不同曝光的畫面進行處理和重新組合，這樣就能同時兼顧畫面中明亮、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態(tài)范圍性能沒有提升的情況下，將攝像機的有效動態(tài)范圍進行了擴展。

　　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， 攝像機的寬動態(tài)范圍最大只能到72dB。而當前采用CMOS圖像傳感器的攝像機采用二次曝光技術已經(jīng)可以達到90dB以上的動態(tài)范圍。

　　但二次/多次曝光技術也有其明顯的局限性——動態(tài)物體拍攝。以二次曝光為例，對于在畫面中以較高速度運動的物體，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成為難題。所以，采用多次曝光技術的寬動態(tài)攝像機一般只能用于目標對象運動速度較慢的監(jiān)控場景中;如果畫面中有較快運動的目標，則會因出現(xiàn)鬼影等問題導致場景嚴重失真。

　　Pixim公司的DPS (數(shù)字像素傳感器) 技術

　　美國Pixim公司在本世紀初研發(fā)了一種基于CMOS技術的新型的圖像采集系統(tǒng)——DPS(數(shù)字像素傳感器);DPS技術同時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高于普通CCD/CMOS的動態(tài)范圍;DPS技術的出現(xiàn)是一項劃時代的成就。

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

　　此外，DPS圖像傳感器采用了ARM CPU精確控制每個像素，可實現(xiàn)每個像素單獨采樣和曝光，即可根據(jù)明暗程度，控制每個像素點的曝光時間;從數(shù)值上來說，采用DPS技術的CMOS攝像機動態(tài)范圍可至120dB或更高;而且在獲得超高動態(tài)范圍的同時，DPS技術不僅解決了背光補償在圖像質(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是基于每個像素單獨處理的技術，每個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，處理電路的面積嚴重影響了像素的感光量;其結果是基于DPS技術的圖像傳感器，靈敏度有顯著下降;且難以實現(xiàn)更高的分辨率;這些都限制了DPS技術的進一步發(fā)展。

　　并行雙增益列放大器技術

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

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

　　從多次實測的效果看，采用該技術的星光高清網(wǎng)絡攝像機具有良好的寬動態(tài)表現(xiàn);尤其是在背光、夜間車燈等寬動態(tài)環(huán)境下能出色地還要運動物體的圖像，沒有拖影等現(xiàn)象，給車輛、人員等目標的細節(jié)識別帶來便利。

　　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的星光二代傳感器;該傳感器的單次曝光動態(tài)范圍從90dB提升為120dB，可見未來寬動態(tài)領域的應用將會越來越強。

　　同時，伴隨圖像傳感器芯片制造工藝精度的不斷提升，DPS圖像傳感器每個像素中因為包含很多個晶體管而帶來的有效感光面積過小的弊端將被逐步克服;該技術在超寬動態(tài)和超低噪聲方面的優(yōu)勢將被帶入到高清時代，其與“人眼一大腦”系統(tǒng)相同的工作模式將引領視頻監(jiān)控圖像傳感器進入到智能圖像處理時代——人眼和大腦在對圖像進行處理和運算的同時， 不斷向人眼(圖像傳感器)下達指令，不僅調(diào)整曝光時間， 而且實時改變圖像捕捉算法，獲得更詳盡完整和真實的圖像細節(jié)，從而獲得最佳的圖像效果。