細說(shuō)安防寬動(dòng)態(tài)技術(shù)及NEW進(jìn)展

摘要：在安防監控應用中， 經(jīng)常會(huì )出現明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景， 例如對準大門(mén)或窗戶(hù)拍攝;由于整個(gè)圖像中明亮的區域曝光過(guò)度，較暗的區域欠曝光， 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，暗部呈現為黑色。早期采用背光補償技術(shù)， 或干脆放置兩臺攝像機來(lái)適應較大的光線(xiàn)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(wèn)題。

　　對于標準的CCD和CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō)，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，感光單元對畫(huà)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量還受到阱容量(well capacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調的感光單元有可能會(huì )溢出或飽和;為防止出現這種情況，可以減少曝光時(shí)間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調的感光單元可能又無(wú)法收集到足夠多的光，無(wú)法成像。

　　即對于典型的單次曝光的圖像傳感器來(lái)說(shuō)，如果曝光時(shí)間過(guò)長(cháng)，則明亮部分的像素將出現溢出，呈現白色;而如果降低曝光時(shí)間，則較暗部分的像素將由于沒(méi)有足夠的光，呈現黑色。

　　所以攝像機的寬動(dòng)態(tài)(WDR，Wide Dynamic Range)能力對于視頻監控來(lái)說(shuō)是非常重要的指標之一。攝像機的動(dòng)態(tài)范圍越大，則視頻監控畫(huà)面所呈現的細節就更豐富，色彩空間更廣，逆光拍攝的能力就越強。

　　寬動(dòng)態(tài)能力一般用“動(dòng)態(tài)范圍”來(lái)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(dòng)態(tài)技術(shù)

　　背光/逆光補償

　　背光補償，也稱(chēng)為逆光補償，是早期應對強光或強逆光視頻監控環(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(chǎng)中包含一個(gè)很亮的區域，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(shí)畫(huà)面中希望拍攝的目標成像昏暗，無(wú)層次。背光補償技術(shù)是把畫(huà)面分成幾個(gè)不同的區域，攝像機根據各個(gè)區域的平均信號電平來(lái)確定AGC電路增益;背光補償技術(shù)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，監控畫(huà)面的可視性得到改善。

　　由于逆光補償只是簡(jiǎn)單提升了拍攝目標的亮度，沒(méi)有實(shí)際拓展動(dòng)態(tài)范圍，所以改善效果有限;對亮區很容易過(guò)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)

　　傳統的CCD/CMOS圖像傳感器在采集一幅圖像的過(guò)程中只對整個(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、較暗區域就會(huì )出現過(guò)度曝光，欠曝光的現象。

　　二次/多次曝光技術(shù)中圖像傳感器對場(chǎng)景進(jìn)行二次或多次曝光，每次曝光的時(shí)間長(cháng)度不同;然后用圖像合成算法對不同曝光的畫(huà)面進(jìn)行處理和重新組合，這樣就能同時(shí)兼顧畫(huà)面中明亮、較暗區域，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(méi)有提升的情況下，將攝像機的有效動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)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(dòng)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(shù)已經(jīng)可以達到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——動(dòng)態(tài)物體拍攝。以二次曝光為例，對于在畫(huà)面中以較高速度運動(dòng)的物體，短曝光和長(cháng)曝光拍攝到的物**于畫(huà)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)攝像機一般只能用于目標對象運動(dòng)速度較慢的監控場(chǎng)景中;如果畫(huà)面中有較快運動(dòng)的目標，則會(huì )因出現鬼影等問(wèn)題導致場(chǎng)景嚴重失真。

　　Pixim公司的DPS (數字像素傳感器) 技術(shù)

　　美國Pixim公司在本世紀初研發(fā)了一種基于CMOS技術(shù)的新型的圖像采集系統——DPS(數字像素傳感器);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(dòng)態(tài)范圍;DPS技術(shù)的出現是一項劃時(shí)代的成就。

　　傳統的CCD 和CMOS攝像機傳感器都是為每一列或每一行像素點(diǎn)配備一個(gè)模數轉換器(A/D)，每個(gè)像素點(diǎn)的輸出都是模擬光信號，要排隊進(jìn)入A/D轉換器后才能轉換為數字信號;存在著(zhù)噪聲大和輸出時(shí)間長(cháng)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轉換器，即在有源像素捕捉到光信號時(shí)，直接將其放大并轉換為數字信號， 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(gè)像素，可實(shí)現每個(gè)像素單獨采樣和曝光，即可根據明暗程度，控制每個(gè)像素點(diǎn)的曝光時(shí)間;從數值上來(lái)說(shuō)，采用DPS技術(shù)的CMOS攝像機動(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(lái)的虛影問(wèn)題。

　　由于DPS是基于每個(gè)像素單獨處理的技術(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，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(shù)的圖像傳感器，靈敏度有顯著(zhù)下降;且難以實(shí)現更高的分辨率;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(wàn)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(gè)電子;更集成了4096個(gè)高倍/低倍放大器，每個(gè)像素的有效數據達到16位，單次曝光即可實(shí)現90dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

　　并行雙增益列放大器技術(shù)可以看作是在當前芯片制造工藝下對DPS技術(shù)的改良——相對于CCD/CMOS整個(gè)圖像傳感器只有一個(gè)或數個(gè)高倍放大器的方式，該星光級圖像傳感器擁有4096個(gè)高倍/低倍放大器，大大擴展了動(dòng)態(tài)范圍。但相對于DPS為每個(gè)像素都配置一個(gè)A/D轉換器的方式，此星光級圖像傳感器所擁有的4096個(gè)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(huì )影響傳感器的靈敏度。

　　從多次實(shí)測的效果看，采用該技術(shù)的星光高清網(wǎng)絡(luò )攝像機具有良好的寬動(dòng)態(tài)表現;尤其是在背光、夜間車(chē)燈等寬動(dòng)態(tài)環(huán)境下能出色地還要運動(dòng)物體的圖像，沒(méi)有拖影等現象，給車(chē)輛、人員等目標的細節識別帶來(lái)便利。

　　未來(lái)的發(fā)展

　　據悉，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(jiàn)未來(lái)寬動(dòng)態(tài)領(lǐng)域的應用將會(huì )越來(lái)越強。

　　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)像素中因為包含很多個(gè)晶體管而帶來(lái)的有效感光面積過(guò)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)勢將被帶入到高清時(shí)代，其與“人眼一大腦”系統相同的工作模式將引領(lǐng)視頻監控圖像傳感器進(jìn)入到智能圖像處理時(shí)代——人眼和大腦在對圖像進(jìn)行處理和運算的同時(shí)， 不斷向人眼(圖像傳感器)下達指令，不僅調整曝光時(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)的圖像細節，從而獲得最佳的圖像效果。