引言

　　在安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景，從而使整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、較暗的區(qū)域欠曝光，不能看清楚圖像最亮與最暗部分。如在銀行儲(chǔ)蓄所、重要場所出入口等。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當(dāng)時(shí)室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時(shí)將反差很大的室內(nèi)外場景清晰地拍攝下來。所拍攝圖像會(huì)出現(xiàn)背景過亮、前景過暗，或背景清晰、前景過暗及前景適合、背景過亮的情況。最早的解決方法，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)。

　　CMOS成像器件的動(dòng)態(tài)范圍，同CCD攝像器件一樣，都由它的信號(hào)處理能力和噪聲決定，它反映了成像器件的工作范圍。其數(shù)值也是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比(通常用dB表示)，即

　　動(dòng)態(tài)范圍 = USp-p /UNp-p (1)

　　(1)式中，USp-p為輸出信號(hào)峰值電壓;UNP-P為噪聲的峰-峰值。

　　在安防監(jiān)控領(lǐng)域，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)，即WDR(Wide Dynamic Range)，是指攝像機(jī)同時(shí)可看清圖像最亮與最暗部分的照度比值。寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍表示攝像機(jī)對圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍，動(dòng)態(tài)范圍越大，圖像所表現(xiàn)的圖層就越豐富、清晰，圖像色彩空間就更廣，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)適應(yīng)逆光環(huán)境的能力也更大。

　　由于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，對明亮部分進(jìn)行最合適的快門速度曝光，然后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，之后將兩個(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，但這需要較高的技術(shù)使色彩和清晰度損失最小。無論怎樣，經(jīng)過這樣處理后的圖像會(huì)失去其原有的色彩效果，這也是當(dāng)前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)面臨的最大問題。然而，由于CCD的特性限制，即使采用多次曝光取樣方式，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍最大只能到66dB。

　　顯然，由于CCD感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS攝像機(jī)則可有突出的表現(xiàn)。它僅一般的線性輸出模式動(dòng)態(tài)范圍就可達(dá)40-60dB;若采用線性-對數(shù)輸出模式，其動(dòng)態(tài)范圍就可高達(dá)120dB。而線性-對數(shù)輸出模式的光電響應(yīng)，不僅擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還可防止圖像滯后與克服圖像的重影。目前，市場上已有Pixim公司推出的第3代CMOS-DPS圖像攝取系統(tǒng)。此系統(tǒng)可通過其超強(qiáng)的寬動(dòng)態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖像，達(dá)到比CCD更真實(shí)、更清晰的圖像。在動(dòng)態(tài)范圍上，DPS采用的單一像素曝光和ARM7控制技術(shù)，相比CCD的兩次或多次曝光成像有更高的動(dòng)態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，采用DPS技術(shù)的攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般均可達(dá)95dB，最高可至120dB。擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)，DPS也解決CCD傳感器在處理動(dòng)態(tài)范圍和色彩真實(shí)性上的不足，其色彩還原性更加真實(shí)，完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。

　　CMOS攝像機(jī)幾種擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的原理與方法

　　由光電技術(shù)中光電成像器件知，CMOS成像器件可以有4種基本的輸出模式：即線性模式、雙斜率模式、對數(shù)特性模式、Y校正模式。這幾種模式的動(dòng)態(tài)范圍相差很大，因而采用不同輸出模式的CMOS攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍及其特性也有較大區(qū)別。下面就簡介一下這幾種輸出模式。

　　1、線性輸出模式

　　線性輸出模式的輸出一般與光強(qiáng)成正比，如圖1中的曲線1所示。這種輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍最小，而且在線性范圍的最高端信噪比最大。在小信號(hào)時(shí)，因噪聲的影響增大，信噪比一般很低。但是，這種線性輸出模式的CMOS攝像機(jī)，適用于要求進(jìn)行連續(xù)測量的場合。[nextpage]

圖1  4種輸出模式曲線

　　2、雙斜率輸出模式

　　雙斜率的輸出模式，是一種擴(kuò)大攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的方法，如圖1中的曲線2所示。由圖1看出，它采用兩種曝光時(shí)間：當(dāng)信號(hào)很弱時(shí)，采用長時(shí)間曝光，輸出信號(hào)曲線的斜率很大;當(dāng)信號(hào)很強(qiáng)后，改用短時(shí)間曝光，這時(shí)曲線斜率就會(huì)降低，從而可以擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。這就類似于CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)目前常采用的對最暗與最亮的雙曝光，即2次取樣方式。

　　顯然，為改善輸出的平滑性，還可采用多斜率的輸出模式，即多種曝光時(shí)間(類似CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的多次取樣方式)。輸出曲線可由多段直線擬合，顯然曲線會(huì)平滑得多，使輸出圖像的灰階層次等變得更好些。

　　3、對數(shù)輸出模式

　　對數(shù)輸出模式如圖1中的曲線3所示。采用這種輸出模式的CMOS攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍非常大，一般可達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得無需對照相機(jī)或攝像機(jī)的曝光時(shí)間進(jìn)行控制，也無需對其鏡頭的光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，在CMOS成像器件中，又可方便地設(shè)計(jì)出對數(shù)響應(yīng)電路，且實(shí)現(xiàn)起來也很容易。

　　值得說明的是，由于人眼對光的響應(yīng)也接近對數(shù)規(guī)律，因而這種輸出模式具有良好的使用性能，在照相機(jī)等中常用。

　　4、γ校正模式

　　γ校正模式如圖1中的曲線4所示。它的輸出規(guī)律如下：U=KeγE (2)

　　(2)式中，U為信號(hào)輸出電壓，E是輸入光強(qiáng)，K為常數(shù)，而γ便是校正因子，γ為小于1的系數(shù)。由式(2)可見，這種模式也使輸出信號(hào)的增長速度逐漸減緩，因而也能擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。

　　由上看出，CMOS攝像器件的4種輸出模式，除其輸出特性有較大區(qū)別外，動(dòng)態(tài)范圍相差很大。一般線性輸出模式動(dòng)態(tài)范圍只有40-60dB，其它輸出模式都較大。

　　5、線性-對數(shù)輸出模式

　　為更加擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還可以根據(jù)實(shí)際需要將兩種輸出模式進(jìn)行組合。如采用線性-對數(shù)(Lin-log)輸出模式，開始時(shí)輸出隨圖像亮度正比例增加(線性響應(yīng))，當(dāng)亮度信號(hào)超過某給定閾值后，輸出成對數(shù)響應(yīng)，這樣的響應(yīng)模式使CMOS成像器件的動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)120dB。

　　線性-對數(shù)輸出模式的光電響應(yīng)，不僅擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，還可防止圖像滯后與克服圖像的重影。[nextpage]

　　CMOS-DPS攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的原理與方法

　　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)范圍典型值為95dB(17782倍)，最大為120dB(31.6萬倍)，并具有非常好的色彩還原和清晰度。DPS 成像技術(shù)標(biāo)志著寬動(dòng)態(tài)技術(shù)有了巨大的突破，使新一代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)已經(jīng)站在更高一層的起點(diǎn)上向前跨出了一大步。

　　所謂DPS(Digital Pixel System)，即數(shù)字像素系統(tǒng)，CMOS-DPS攝像機(jī)就是有數(shù)字像素系統(tǒng)的攝像機(jī)。傳統(tǒng)CCD和CMOS攝像機(jī)傳感器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)，存在噪聲大和輸出時(shí)間長等缺點(diǎn)。而DPS是在圖像傳感器的每個(gè)像素點(diǎn)上包含一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，即在CMOS攝像機(jī)圖像傳感器上的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)，可將陣列上的信號(hào)退化和串?dāng)_降到最小，并允許采用更好的降噪方法。一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字格式捕獲，可采用各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來真實(shí)重現(xiàn)圖像。顯然，DPS技術(shù)中的圖像傳感器和圖像處理器是全數(shù)字式的，并采用32位ARM CPU精確控制每個(gè)像素，使每個(gè)像素獨(dú)立完成采樣和曝光，并直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，是目前市面上唯一、真正的全數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。

　　CMOS-DPS的單個(gè)像素的組成，如圖2所示。由圖2可知，該器件的單個(gè)像素，由APS像素單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)、數(shù)字存儲(chǔ)器和相關(guān)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(zhuǎn)換是在像素外進(jìn)行，而是將A/D轉(zhuǎn)換集成在每一個(gè)像素單元里，使每一像素單元輸出的是數(shù)字信號(hào)，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，再送到系統(tǒng)的DSP對其進(jìn)行處理，以最終形成高質(zhì)量的圖像。因此，這種CMOS攝像系統(tǒng)克服了原來CMOS攝像機(jī)的缺點(diǎn)，而優(yōu)于CCD攝像機(jī)。

圖2  CMOS-DPS單個(gè)像素的組成

　　CMOS-DPS技術(shù)標(biāo)志著攝像技術(shù)上的一個(gè)根本突破，以CCD為主流技術(shù)的攝像機(jī)必將受到DPS技術(shù)的巨大沖擊。因?yàn)樵贒PS技術(shù)中，“每個(gè)像素都是一部攝像機(jī)(Every pixel is a camera)”，在一幅圖像中，曝光像素有數(shù)十萬個(gè)，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?、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。因此，在DPS技術(shù)中，每個(gè)像素對應(yīng)的光線都可被優(yōu)化曝光，最終形成高質(zhì)量的圖像。

　　目前，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)最好的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍方式是5次取樣方式。而CMOS-DPS攝像機(jī)是每個(gè)像素取樣，它可使每個(gè)像素的曝光時(shí)間不同，從而使同一畫面不同部分的曝光時(shí)間不盡相同。因此，整幅圖像的任意點(diǎn)，都可達(dá)到最佳圖像顯示的狀態(tài)，得到清晰的圖像細(xì)節(jié)，更加接近真實(shí)場景的色彩還原。因此，CMOS-DPS攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍自然要比CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)寬得多。

　　CMOS-DPS攝像機(jī)采用與“人眼-大腦”系統(tǒng)相同的工作模式，使圖像傳感器和圖像處理器具有雙向?qū)崟r(shí)互動(dòng)性。DPS攝像機(jī)圖像的攝取和處理過程，類似人眼和大腦的關(guān)系，在對圖像進(jìn)行處理和運(yùn)算的同時(shí)，不斷向圖像傳感器下達(dá)指令，不僅調(diào)整曝光時(shí)間，且改變實(shí)際的圖像捕捉算法，實(shí)現(xiàn)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(jī)最終能提供更詳盡、完整和真實(shí)的圖像細(xì)節(jié)，從而獲得最佳的圖像效果。

　　CMOS-DPS攝像機(jī)除與CCD攝像機(jī)有相同的高清晰度外，在色度、白平衡、輪廓補(bǔ)償、垂直光斑等方面都充分體現(xiàn)其出類拔萃的特色。用自身OSD可設(shè)置多項(xiàng)功能和調(diào)整多項(xiàng)參數(shù)以確保多種場合下的監(jiān)控需求。

　　由于CMOS-DPS的特有結(jié)構(gòu)是CCD無論如何都做不到的(CCD一個(gè)像素上不可能集成這些)，再加上CMOS成像器件具有的高速數(shù)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(yōu)點(diǎn)，使它能更方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與智能化。[nextpage]

　　幾種擴(kuò)展CMOS攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的性能比較

表1  幾種擴(kuò)展CMOS攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的性能比較

　　上述幾種擴(kuò)展CMOS攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的性能比較如表1所示。

　　由表1可知，CMOS攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍以線性-對數(shù)輸出模式與CMOS-DPS數(shù)字像素式為最大，其圖像灰度層次豐富、色彩真實(shí)、質(zhì)量品質(zhì)高。尤其CMOS-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)間來產(chǎn)生高品質(zhì)、高顏色精度的圖像。它在擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，也解決了CCD傳感器在處理動(dòng)態(tài)范圍和色彩真實(shí)性上的不足，其色彩還原性更加真實(shí)，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(shù)輸出模式的CMOS攝像機(jī)與更便于網(wǎng)絡(luò)化智能化的CMOS-DPS純數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，均將是今后CMOS攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的發(fā)展方向，尤其是后者。

　　動(dòng)態(tài)范圍的測量方法

　　確定攝像機(jī)成像器動(dòng)態(tài)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(guān)信息計(jì)算得出;另一種是使用灰階測試卡和實(shí)驗(yàn)儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級(jí)別。盡管采用計(jì)算的方法可在理論上算出動(dòng)態(tài)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(jī)成像效果的實(shí)際體驗(yàn)。

　　日本電子資訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì) (JEITA)的測量方法

　　是否能夠準(zhǔn)確確定動(dòng)態(tài)范圍，一個(gè)重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動(dòng)態(tài)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(jí)數(shù)(f-stop)，最多只能測量出 5.66 檔或大約 34 分貝的動(dòng)態(tài)范圍。

圖3  Kodak Q-14 灰階測試卡

　　使用 JEITA 方法測量動(dòng)態(tài)范圍和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率時(shí)，灰階測試卡的 gamma值指定為 2.2，總共有十個(gè)灰階級(jí)別，能夠測出的動(dòng)態(tài)范圍與 Q-14 灰階測試卡基本相同。按照這種方法的規(guī)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(tái)不同的照明光源分別照射屏幕兩側(cè)的測試卡，如圖4所示。

圖4  JEITA 動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率測量裝置

　　JEITA方法中規(guī)定，對測試卡較亮端不斷增加照明強(qiáng)度或增大光圈，直到剛好可區(qū)分出最亮的兩個(gè)灰階級(jí)別，然后對測試卡較暗一端不斷減小照明強(qiáng)度直到最亮的灰階級(jí)別(白色)達(dá)到50IRE。用公式計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展比率(單位為分貝)。[nextpage]

　　動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率(dB)=20 log (L3 / L4) (3)

　　這種方法雖算出動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展值，但完全忽略了成像器捕捉中間色調(diào)的能力。JEITA方法并沒有克服兩次曝光CCD傳感器的主要缺陷，因該方法只關(guān)注于對較高和較低色調(diào)范圍以內(nèi)的不同灰階值的區(qū)分。

　　JEITA方法的缺陷是：所有的測試裝置都無明確指定;沒有指明怎樣放置照明設(shè)備，使用何種類型的光線，甚至沒有說明如何準(zhǔn)確衡量照明強(qiáng)度。這意味著，實(shí)驗(yàn)裝置和測量條件的變化都會(huì)影響最終的測量結(jié)果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展值，而不是總體的測量范圍，因?yàn)樵摲椒ú⑽粗该魅绾未_定基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍或總體動(dòng)態(tài)范圍。

　　Pixim 的動(dòng)態(tài)范圍測量方法

　　為消除上面的缺陷，讓測量實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性，使得在測量過程中可對所有色調(diào)級(jí)別同時(shí)進(jìn)行觀察和比較，Pixim使用一套定制的儀器裝置來測量動(dòng)態(tài)范圍。該套裝置包含一個(gè)燈箱，它使用 700 瓦的白熾燈光對透光步進(jìn)卡進(jìn)行背光投射。測量使用的步進(jìn)式光楔均由 Sine Patterns LLC 公司生產(chǎn)，兩個(gè)光楔重疊在一起最高可測量ND 值為 0.1到 6.1或大約 120 分貝的密度范圍。

　　要在監(jiān)視器或打印文檔中準(zhǔn)確顯示很寬的動(dòng)態(tài)場景并不易，但圖5顯示Pixim Digital Pixel System技術(shù)良好地捕捉到超寬動(dòng)態(tài)圖像。

圖5  使用 Pixim's Digital Pixel System 技術(shù)拍攝的超寬動(dòng)態(tài)范圍場景

　　圖6顯示了使用兩次曝光方法的 CCD攝像機(jī)機(jī)拍攝的同一圖片。請注意，盡管該相機(jī)自稱具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，我們還是可以從圖片中場景高亮部分的暈光現(xiàn)象和中間色調(diào)的串色現(xiàn)象看出其明顯的局限性。另外，就對中間色調(diào)的響應(yīng)來說，該相機(jī)的響應(yīng)過于平乏，與 Pixim 相機(jī)單調(diào)分明的響應(yīng)相比，誰優(yōu)誰劣一看便知。

圖6  用兩次曝光 CCD 傳感器拍攝的同一圖片

　　影響圖像傳感器對灰階響應(yīng)的相同因素也會(huì)影響傳感器在實(shí)際場景中拍攝色彩細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)度。這一點(diǎn)可從圖7的對比中得到印證。圖7表示使用兩次曝光技術(shù)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的Panasonic的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)與CMOS-DPS攝像機(jī)拍攝圖像的對比。顯然，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)所攝畫面蒼白，其色彩精準(zhǔn)度和圖像質(zhì)量大打折扣。

圖7  采用兩次曝光技術(shù)的 CCD 攝像機(jī)與CMOS-DPS攝像機(jī)拍攝圖像對比

　　結(jié)語

　　由上看出，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)并不是CCD攝像機(jī)獨(dú)有的。由于CCD的感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)將會(huì)有突出的表現(xiàn)，可以說未來的監(jiān)控?cái)z像機(jī)都會(huì)有寬動(dòng)態(tài)功能，而寬動(dòng)態(tài)技術(shù)將屬于CMOS攝像機(jī)。