引言

　　在安防監(jiān)控攝像機的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景，從而使整個圖像中明亮的區(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。如在銀行儲蓄所、重要場所出入口等。因為從窗外射入的強光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對當(dāng)時室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時將反差很大的室內(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，一般會采用背光補償技術(shù)，或在室內(nèi)外放置兩臺攝像機來適應(yīng)較大的光線反差，但效果不是非常理想，因此誕生了寬動態(tài)技術(shù)。

　　CMOS成像器件的動態(tài)范圍，同CCD攝像器件一樣，都由它的信號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峰值電壓與均方根噪聲電壓之比(通常用dB表示)，即

　　動態(tài)范圍 = USp-p /UNp-p (1)

　　(1)式中，USp-p為輸出信號峰值電壓;UNP-P為噪聲的峰-峰值。

　　在安防監(jiān)控領(lǐng)域，攝像機的寬動態(tài)，即WDR(Wide Dynamic Range)，是指攝像機同時可看清圖像最亮與最暗部分的照度比值。寬動態(tài)攝像機動態(tài)范圍表示攝像機對圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍，動態(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，寬動態(tài)攝像機適應(yīng)逆光環(huán)境的能力也更大。

　　由于CCD寬動態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP(數(shù)字信號處理)電路，對明亮部分進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，之后將兩個圖像進行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失去其原有的色彩效果，這也是當(dāng)前寬動態(tài)攝像機面臨的最大問題。然而，由于CCD的特性限制，即使采用多次曝光取樣方式，攝像機的寬動態(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攝像機則可有突出的表現(xiàn)。它僅一般的線性輸出模式動態(tài)范圍就可達40-60dB;若采用線性-對數(shù)輸出模式，其動態(tài)范圍就可高達120dB。而線性-對數(shù)輸出模式的光電響應(yīng)，不僅擴大動態(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)可通過其超強的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖像，達到比CCD更真實、更清晰的圖像。在動態(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態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，采用DPS技術(shù)的攝像機的動態(tài)范圍一般均可達95dB，最高可至120dB。擴大動態(tài)范圍同時，DPS也解決CCD傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。

　　CMOS攝像機幾種擴展動態(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。這幾種模式的動態(tài)范圍相差很大，因而采用不同輸出模式的CMOS攝像機的寬動態(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成正比，如圖1中的曲線1所示。這種輸出模式的動態(tài)范圍最小，而且在線性范圍的最高端信噪比最大。在小信號時，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，適用于要求進行連續(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，是一種擴大攝像機動態(tài)范圍的方法，如圖1中的曲線2所示。由圖1看出，它采用兩種曝光時間：當(dāng)信號很弱時，采用長時間曝光，輸出信號曲線的斜率很大;當(dāng)信號很強后，改用短時間曝光，這時曲線斜率就會降低，從而可以擴大動態(tài)范圍。這就類似于CCD寬動態(tài)攝像機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，即多種曝光時間(類似CCD寬動態(tài)攝像機的多次取樣方式)。輸出曲線可由多段直線擬合，顯然曲線會平滑得多，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攝像機的動態(tài)范圍非常大，一般可達到幾個數(shù)量級，使得無需對照相機或攝像機的曝光時間進行控制，也無需對其鏡頭的光圈進行調(diào)節(jié)。此外，在CMOS成像器件中，又可方便地設(shè)計出對數(shù)響應(yīng)電路，且實現(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為信號輸出電壓，E是輸入光強，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的增長速度逐漸減緩，因而也能擴大動態(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，動態(tài)范圍相差很大。一般線性輸出模式動態(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

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

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

　　CMOS-DPS攝像機擴展動態(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)的超寬動態(tài)攝像機ISD-A10，它的動態(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)志著寬動態(tài)技術(shù)有了巨大的突破，使新一代寬動態(tài)攝像機已經(jīng)站在更高一層的起點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攝像機就是有數(shù)字像素系統(tǒng)的攝像機。傳統(tǒng)CCD和CMOS攝像機傳感器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，存在噪聲大和輸出時間長等缺點。而DPS是在圖像傳感器的每個像素點上包含一個10位A/D轉(zhuǎn)換器，即在CMOS攝像機圖像傳感器上的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，可將陣列上的信號退化和串?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)字信號處理技術(shù)來真實重現(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精確控制每個像素，使每個像素獨立完成采樣和曝光，并直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，是目前市面上唯一、真正的全數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。

　　CMOS-DPS的單個像素的組成，如圖2所示。由圖2可知，該器件的單個像素，由APS像素單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)、數(shù)字存儲器和相關(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)換是在像素外進行，而是將A/D轉(zhuǎn)換集成在每一個像素單元里，使每一像素單元輸出的是數(shù)字信號，而成像系統(tǒng)控制著每個像素的最佳采樣時間，在每個像素達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息。在所有像素被采集后，再送到系統(tǒng)的DSP對其進行處理，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攝像機的缺點，而優(yōu)于CCD攝像機。

圖2  CMOS-DPS單個像素的組成

　　CMOS-DPS技術(shù)標(biāo)志著攝像技術(shù)上的一個根本突破，以CCD為主流技術(shù)的攝像機必將受到DPS技術(shù)的巨大沖擊。因為在DPS技術(shù)中，“每個像素都是一部攝像機(Every pixel is a camera)”，在一幅圖像中，曝光像素有數(shù)十萬個，即使在最苛刻的光照條件下，也可捕捉到清晰、逼真的圖像，再也不會因為陰影、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寬動態(tài)攝像機最好的擴展動態(tài)范圍方式是5次取樣方式。而CMOS-DPS攝像機是每個像素取樣，它可使每個像素的曝光時間不同，從而使同一畫面不同部分的曝光時間不盡相同。因此，整幅圖像的任意點，都可達到最佳圖像顯示的狀態(tài)，得到清晰的圖像細節(jié)，更加接近真實場景的色彩還原。因此，CMOS-DPS攝像機的動態(tài)范圍自然要比CCD寬動態(tài)攝像機寬得多。

　　CMOS-DPS攝像機采用與“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互動性。DPS攝像機圖像的攝取和處理過程，類似人眼和大腦的關(guān)系，在對圖像進行處理和運算的同時，不斷向圖像傳感器下達指令，不僅調(diào)整曝光時間，且改變實際的圖像捕捉算法，實現(xiàn)智能化圖像處理功能。在特定的圖像特征和光照下，DPS攝像機最終能提供更詳盡、完整和真實的圖像細節(jié)，從而獲得最佳的圖像效果。

　　CMOS-DPS攝像機除與CCD攝像機有相同的高清晰度外，在色度、白平衡、輪廓補償、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)置多項功能和調(diào)整多項參數(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，使它能更方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與智能化。[nextpage]

　　幾種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的性能比較

表1  幾種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的性能比較

　　上述幾種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的性能比較如表1所示。

　　由表1可知，CMOS攝像機動態(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、質(zhì)量品質(zhì)高。尤其CMOS-DPS圖像傳感器在每一個像素上將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使得每一個像素有獨立的和最優(yōu)化的曝光時間來產(chǎn)生高品質(zhì)、高顏色精度的圖像。它在擴大動態(tài)范圍的同時，也解決了CCD傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，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攝像機與更便于網(wǎng)絡(luò)化智能化的CMOS-DPS純數(shù)字攝像機，均將是今后CMOS攝像機擴展動態(tài)范圍的發(fā)展方向，尤其是后者。

　　動態(tài)范圍的測量方法

　　確定攝像機成像器動態(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)信息計算得出;另一種是使用灰階測試卡和實驗儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級別。盡管采用計算的方法可在理論上算出動態(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成像效果的實際體驗。

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

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

圖3  Kodak Q-14 灰階測試卡

　　使用 JEITA 方法測量動態(tài)范圍和動態(tài)范圍擴展比率時，灰階測試卡的 gamma值指定為 2.2，總共有十個灰階級別，能夠測出的動態(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 動態(tài)范圍擴展比率測量裝置

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

　　動態(tài)范圍擴展比率(dB)=20 log (L3 / L4) (3)

　　這種方法雖算出動態(tài)范圍擴展值，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)確衡量照明強度。這意味著，實驗裝置和測量條件的變化都會影響最終的測量結(jié)果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動態(tài)范圍擴展值，而不是總體的測量范圍，因為該方法并未指明如何確定基準(zhǔn)動態(tài)范圍或總體動態(tài)范圍。

　　Pixim 的動態(tài)范圍測量方法

　　為消除上面的缺陷，讓測量實驗具有可重復(fù)性，使得在測量過程中可對所有色調(diào)級別同時進行觀察和比較，Pixim使用一套定制的儀器裝置來測量動態(tài)范圍。該套裝置包含一個燈箱，它使用 700 瓦的白熾燈光對透光步進卡進行背光投射。測量使用的步進式光楔均由 Sine Patterns LLC 公司生產(chǎn)，兩個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態(tài)圖像。

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

　　圖6顯示了使用兩次曝光方法的 CCD攝像機機拍攝的同一圖片。請注意，盡管該相機自稱具有很高的動態(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，該相機的響應(yīng)過于平乏，與 Pixim 相機單調(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)的相同因素也會影響傳感器在實際場景中拍攝色彩細節(jié)的精準(zhǔn)度。這一點可從圖7的對比中得到印證。圖7表示使用兩次曝光技術(shù)擴展動態(tài)范圍的Panasonic的CCD寬動態(tài)攝像機與CMOS-DPS攝像機拍攝圖像的對比。顯然，CCD寬動態(tài)攝像機所攝畫面蒼白，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 攝像機與CMOS-DPS攝像機拍攝圖像對比

　　結(jié)語

　　由上看出，寬動態(tài)技術(shù)并不是CCD攝像機獨有的。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寬動態(tài)攝像機將會有突出的表現(xiàn)，可以說未來的監(jiān)控攝像機都會有寬動態(tài)功能，而寬動態(tài)技術(shù)將屬于CMOS攝像機。