DPS寬動態(tài)技術(shù)的探索與實(shí)際應(yīng)用

在攝像機(jī)發(fā)展的歲月里，從最初的真空管攝像機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的CCD、CMOS、DPS攝像機(jī)，隨著攝像機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種專用的攝像技術(shù)，寬動態(tài)技術(shù)便是其中之一。對于一些明暗反差強(qiáng)烈的特殊環(huán)境，普通攝像機(jī)針對圖像的最“暗”與最“亮”部分的平衡調(diào)整能力非常有限，這時DPS寬動態(tài)技術(shù)便能發(fā)揮其突出的作用。

DPS寬動態(tài)技術(shù)

在逆光情況下，一般都采用超寬動態(tài)攝像機(jī)，超寬動態(tài)攝像機(jī)的動態(tài)范圍表示攝像機(jī)對圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍，動態(tài)范圍越大圖像所表現(xiàn)的圖層就越豐富、清晰，當(dāng)然圖像的色彩空間就更廣，也就是超寬動態(tài)攝像機(jī)適應(yīng)逆光環(huán)境的能力也更大。

傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，因此必然會出現(xiàn)對整個圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。

盡管寬動態(tài)CCD攝像機(jī)與傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)相比，在技術(shù)上有了一次次突破，現(xiàn)在已發(fā)展到第三代CCD寬動態(tài)攝像機(jī)，寬動態(tài)范圍也達(dá)到了160倍，或說54dB。但有資料揭示，CCD寬動態(tài)攝像機(jī)的動態(tài)范圍最多也只能達(dá)到60dB?，F(xiàn)在已經(jīng)推出的基于CMOS的DPS技術(shù)寬動態(tài)攝像機(jī)，其寬動態(tài)范圍一般能達(dá)到95dB，最高能達(dá)到120dB。

DPS技術(shù)的主要特點(diǎn)是對每個像素進(jìn)行多次單獨(dú)無損失采樣，使動態(tài)范圍增大，說白了寬動態(tài)攝像就是采用多次曝光技術(shù)平衡調(diào)整明暗圖像畫面，還原逼真現(xiàn)場的真實(shí)效果。

DPS(Digital Pixel System)即數(shù)字圖像傳感處理系統(tǒng)，它的核心技術(shù)是在每一個拾取的像素上都包含一個ADC(analong—to—digited數(shù)模轉(zhuǎn)換器)，當(dāng)ADC捕捉到光信號時便直接將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并放大，這就最大限度地節(jié)省了無效的傳輸操作，降低了噪聲，保證所獲取圖像的高質(zhì)量，使得輸出后的圖像無任何拖尾和開花現(xiàn)象。DPS系統(tǒng)在整個圖像的獲取、傳輸和處理中，不論前端的拾取還是后端的處理完全以數(shù)字化的形式進(jìn)行，是真正純數(shù)字化的圖像傳感系統(tǒng)。

美國Pixim公司在斯坦福大學(xué)20世紀(jì)90年代技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上研發(fā)了一種新型的DPS圖像拾取系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過其超強(qiáng)的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量圖片。源于斯坦福大學(xué)的Pixim的DPS成像技術(shù)，申請了56項專利，其中42項已經(jīng)生效。Pixim的DPS技術(shù)是目前唯一的直接以數(shù)字值表示光信號的圖像抓取系統(tǒng)。CCD和CMOS傳感器以模擬值表示光信號，然后再將模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，DPS則不存在模擬讀出噪聲。

在DPS技術(shù)中每個像素都有一個ADC，每個像素的信息都是獨(dú)立捕捉和處理的，同時使用了一個32bit的CPU處理芯片ARM7(或者ARM9)控制每個像素的曝光時間，使得模—數(shù)轉(zhuǎn)換更精確。傳感器可在曝光周期內(nèi)對每個像素的光線進(jìn)行多次和高速采樣，并控制每個像素的曝光時間，在其達(dá)到最佳狀態(tài)時存儲像素信息，因此每個像素都經(jīng)過了多次(0.8ms內(nèi))無破壞性的單獨(dú)采樣。在像素被采集后，系統(tǒng)再對其進(jìn)行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像。DPS系統(tǒng)形成的圖像在水平和垂直分辨率上保持一致，任何角度都可以保證圖像的高分辨率。

Pixim的專利DPS技術(shù)標(biāo)志著在攝像技術(shù)上的一個根本突破，以CCD為主流技術(shù)的攝像機(jī)必將受到DPS技術(shù)的巨大沖擊。

DPS技術(shù)在還原性的概念上，成像良好，圖像質(zhì)量高，采用DPS技術(shù)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(diǎn)，都可達(dá)到最佳圖像顯示的狀態(tài)，能得到清晰的圖像細(xì)節(jié)，更加接近真實(shí)場景的色彩還原。

Pixim公司稱，DPS技術(shù)中“每個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，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?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，每個像素對應(yīng)的光線都可以被優(yōu)化曝光，最終形成高質(zhì)量的圖像。

DPS攝像機(jī)采用的是與“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(jī)圖像的攝取和處理過程，類似于人眼和大腦的關(guān)系，在對圖像進(jìn)行處理和運(yùn)算的同時，不斷向圖像傳感器下達(dá)指令，不僅調(diào)整曝光時間，而且改變實(shí)際的圖像捕捉算法，實(shí)現(xiàn)了智能化圖像處理功能。

所以，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。

DPS寬動態(tài)技術(shù)的特點(diǎn)

從前面的闡述可以知道寬動態(tài)技術(shù)是應(yīng)用于強(qiáng)烈的明暗交差環(huán)境中，亦可以理解為兩個環(huán)境中，一個是過度曝光，另一個過度偏暗，如在室內(nèi)與室外交差環(huán)境中，攝像機(jī)安裝室內(nèi)，要將室內(nèi)外兩個不同的環(huán)境表現(xiàn)清晰，必須采用寬動態(tài)技術(shù)才能達(dá)到還原圖像的效果。

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)出DPS攝像機(jī)的出類拔萃的特色。用自身OSD可以設(shè)置多項功能和調(diào)整多項參數(shù)以確保在多種場合下的監(jiān)控需求。下面介紹DPS攝像機(jī)的幾個主要特點(diǎn)：

1、最低照度

1Lux/F1.4(AGC ON 50IRE)，0.75Lux/F1.2(AGC ON 50IRE)，0.01Lux/F1.2(電子靈敏度提升最大32倍)。

2、WDR寬動態(tài)范圍

典型值95dB，最大值120dB，36調(diào)整級。

3、背光補(bǔ)償

背光補(bǔ)償具有以下4個選項。

·OFF，不設(shè)定背光補(bǔ)償;

·ON，通常全范圍背光補(bǔ)償;

·1SPOT，1個區(qū)域背光補(bǔ)償，通過設(shè)置可以選定背光補(bǔ)償區(qū)域大小和位置;

·2SPOT，2個區(qū)域背光補(bǔ)償，通過設(shè)置可以選定2個背光補(bǔ)償區(qū)域大小和位置。

4、GAIN增益

在選擇SENS UP ON時則有AGC和HYP AGC兩種增益模式可以選擇。而在選擇SENS UP OFF時有以下5種增益模式可以選擇。

·AGC模式是初始的自動優(yōu)化靈敏度和噪波電平;

·HYP AGC模式的靈敏度高于AGC模式，但在較高靈敏度和光線較暗時，圖像有噪波點(diǎn);

·LOW低，這種低固定模式靈敏度低于較亮的場景;

·MID中，這種中等固定模式靈敏度介于LOW低和HIGH之間;

·HIGH高，這種高固定模式靈敏度用于較暗場景下，保持高靈敏度。

5、五種SENS UP 靈敏度提升模式。

·OFF，初始模式?jīng)]有靈敏度提升;

·S/N，信噪比模式用于拍攝移動幅度小，有亮度變化的場景;

·STD，這種標(biāo)準(zhǔn)模式可以在拍攝光線變化的場景時，抑制圖像模糊和粗糙;

·MOVE運(yùn)動模式用于象街區(qū)或停車場等有光線變化和人物移動場景;

·SLOW SHUTTER慢快門電子靈敏度，有×2、×4、×8、×16、×32五檔選擇。

6、四種自動白平衡調(diào)整模式。

·ATW，初始設(shè)定自動調(diào)整;

·ATW Ex，當(dāng)色溫范圍高于ATW模式時選用，在通常的光源下，與ATW模式相比略有褪色;

·AWC，這是所謂的ONE PUSH自動白平衡模式，使用一個白色靶子作基準(zhǔn)自動調(diào)整白平衡;

·MANUAL手動調(diào)整R紅增益和B藍(lán)增益。在確定監(jiān)控場景和目標(biāo)后，選擇一種最佳的白平衡模式，以保證色彩最好。

7、在色彩調(diào)整方面，將廣播級技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控攝像機(jī)。

·COLOR BAR自身帶有彩條顯示功能，輔助調(diào)整色彩，以保證最佳色彩;

·CHROMA色度補(bǔ)償調(diào)節(jié)，用以調(diào)節(jié)圖像色彩;

·DETAIL輪廓細(xì)節(jié)調(diào)整。

寬動態(tài)技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了普通攝像機(jī)在光線明暗交差成像的缺點(diǎn)，但也存在不足，畢竟寬動態(tài)技術(shù)是針對專一環(huán)境的專用功能。往往是動態(tài)范圍大的攝像機(jī)其靈敏度較低，高靈敏度的攝像機(jī)動態(tài)范圍相對較低。也就是說目前寬動態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下的使用狀況并不理想，噪點(diǎn)過大。在夜間低照度的情況，圖像會出現(xiàn)類似雪花點(diǎn)的現(xiàn)象。有時也會出現(xiàn)其它現(xiàn)象，如：剛裝上去調(diào)試好是正常的，過段時間之后畫面會出現(xiàn)偏色，這個現(xiàn)象與環(huán)境的影響或攝像機(jī)本身設(shè)置都有關(guān)系，一般寬動態(tài)攝像機(jī)出現(xiàn)偏色都與白平衡有關(guān)，如果原本在調(diào)試的時候設(shè)置為自動跟蹤白平衡圖像就會隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生不同的白平衡效果，而將白平衡模式調(diào)整為自動白平衡即可解決。另外在安裝的過程中安裝的位置對圖像亦有偏差的影響，應(yīng)盡量避免強(qiáng)光的反射點(diǎn)位置，這些都是寬動態(tài)攝像機(jī)安裝調(diào)試要注意的事項。

DPS寬動態(tài)技術(shù)的應(yīng)用場合

優(yōu)良的寬動態(tài)功能可使DPS攝像機(jī)在光線反差較大的環(huán)境中(特別從室內(nèi)看室外時)看清全景中每個角落的細(xì)節(jié)，譬如安裝了寬大玻璃窗的辦公大樓大廳、銀行、ATM機(jī)、商店、機(jī)場等，這些位于門口、窗口等處具有明亮背景光的監(jiān)控場景。而在道路交通系統(tǒng)中，利用DPS攝像機(jī)的寬動態(tài)功能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光抑制效果可以看清車牌。使用DPS攝像機(jī)的寬動態(tài)功能(可抑制強(qiáng)光，減小光源的光暈)與極寬的色溫范圍特性(即使在不同光線環(huán)境下仍能保存圖像的原有色彩)，也可將該攝像機(jī)用在街道監(jiān)控系統(tǒng)中來看車輛違規(guī)情況。

結(jié)語

隨著監(jiān)控系統(tǒng)整體數(shù)字化發(fā)展的趨勢，攝像機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展也成為一種必然的潮流。作為一種全新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，在今后攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展中，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，隨著攝像機(jī)技術(shù)的不斷提升，各種成像技術(shù)存在的不足也將會迎刃而解。