DPS寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的探索與實(shí)際應用

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

DPS寬動(dòng)態(tài)技術(shù)

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

傳統CCD攝像機在采集一幅圖像的過(guò)程中只對整個(gè)圖像采樣一次，因此必然會(huì )出現對整個(gè)圖像中明亮的區域曝光過(guò)度、或較暗的區域欠曝光的現象。

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

DPS技術(shù)的主要特點(diǎn)是對每個(gè)像素進(jìn)行多次單獨無(wú)損失采樣，使動(dòng)態(tài)范圍增大，說(shuō)白了寬動(dòng)態(tài)攝像就是采用多次曝光技術(shù)平衡調整明暗圖像畫(huà)面，還原逼真現場(chǎng)的真實(shí)效果。

DPS(Digital Pixel System)即數字圖像傳感處理系統，它的核心技術(shù)是在每一個(gè)拾取的像素上都包含一個(gè)ADC(analong—to—digited數模轉換器)，當ADC捕捉到光信號時(shí)便直接將其轉換為數字信號并放大，這就最大限度地節省了無(wú)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(wú)任何拖尾和開(kāi)花現象。DPS系統在整個(gè)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字化的形式進(jìn)行，是真正純數字化的圖像傳感系統。

美國Pixim公司在斯坦福大學(xué)20世紀90年代技術(shù)發(fā)展的基礎上研發(fā)了一種新型的DPS圖像拾取系統，此系統可以通過(guò)其超強的寬動(dòng)態(tài)功能來(lái)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(zhuān)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字值表示光信號的圖像抓取系統。CCD和CMOS傳感器以模擬值表示光信號，然后再將模擬值轉換成數字值，DPS則不存在模擬讀出噪聲。

在DPS技術(shù)中每個(gè)像素都有一個(gè)ADC，每個(gè)像素的信息都是獨立捕捉和處理的，同時(shí)使用了一個(gè)32bit的CPU處理芯片ARM7(或者ARM9)控制每個(gè)像素的曝光時(shí)間，使得模—數轉換更精確。傳感器可在曝光周期內對每個(gè)像素的光線(xiàn)進(jìn)行多次和高速采樣，并控制每個(gè)像素的曝光時(shí)間，在其達到最佳狀態(tài)時(shí)存儲像素信息，因此每個(gè)像素都經(jīng)過(guò)了多次(0.8ms內)無(wú)破壞性的單獨采樣。在像素被采集后，系統再對其進(jìn)行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像。DPS系統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(zhuān)利DPS技術(shù)標志著(zhù)在攝像技術(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(gè)像素的曝光時(shí)間不同，從而使同一畫(huà)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)，都可達到最佳圖像顯示的狀態(tài)，能得到清晰的圖像細節，更加接近真實(shí)場(chǎng)景的色彩還原。

Pixim公司稱(chēng)，DPS技術(shù)中“每個(gè)像素都是一部攝像機(Every pixel is a camera)”，在一幅圖像中，曝光像素有數十萬(wàn)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 )因為陰影、眩光、反射和太陽(yáng)光而使圖像發(fā)暗或被破壞。因此，在DPS技術(shù)中，每個(gè)像素對應的光線(xiàn)都可以被優(yōu)化曝光，最終形成高質(zhì)量的圖像。

DPS攝像機采用的是與“人眼——大腦”系統相同的工作模式，使圖像傳感器和圖像處理器具有雙向實(shí)時(shí)互動(dòng)性。DPS攝像機圖像的攝取和處理過(guò)程，類(lèi)似于人眼和大腦的關(guān)系，在對圖像進(jìn)行處理和運算的同時(shí)，不斷向圖像傳感器下達指令，不僅調整曝光時(shí)間，而且改變實(shí)際的圖像捕捉算法，實(shí)現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攝像機最終能提供更詳盡、完整和真實(shí)的圖像細節，從而獲得最佳的圖像效果。

DPS寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的特點(diǎn)

從前面的闡述可以知道寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是應用于強烈的明暗交差環(huán)境中，亦可以理解為兩個(gè)環(huán)境中，一個(gè)是過(guò)度曝光，另一個(gè)過(guò)度偏暗，如在室內與室外交差環(huán)境中，攝像機安裝室內，要將室內外兩個(gè)不同的環(huán)境表現清晰，必須采用寬動(dòng)態(tài)技術(shù)才能達到還原圖像的效果。

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出DPS攝像機的出類(lèi)拔萃的特色。用自身OSD可以設置多項功能和調整多項參數以確保在多種場(chǎng)合下的監控需求。下面介紹DPS攝像機的幾個(gè)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(dòng)態(tài)范圍

典型值95dB，最大值120dB，36調整級。

3、背光補償

背光補償具有以下4個(gè)選項。

·OFF，不設定背光補償;

·ON，通常全范圍背光補償;

·1SPOT，1個(gè)區域背光補償，通過(guò)設置可以選定背光補償區域大小和位置;

·2SPOT，2個(gè)區域背光補償，通過(guò)設置可以選定2個(gè)背光補償區域大小和位置。

4、GAIN增益

在選擇SENS UP ON時(shí)則有AGC和HYP AGC兩種增益模式可以選擇。而在選擇SENS UP OFF時(shí)有以下5種增益模式可以選擇。

·AGC模式是初始的自動(dòng)優(yōu)化靈敏度和噪波電平;

·HYP AGC模式的靈敏度高于A(yíng)GC模式，但在較高靈敏度和光線(xiàn)較暗時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)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(dòng)幅度小，有亮度變化的場(chǎng)景;

·STD，這種標準模式可以在拍攝光線(xiàn)變化的場(chǎng)景時(shí)，抑制圖像模糊和粗糙;

·MOVE運動(dòng)模式用于象街區或停車(chē)場(chǎng)等有光線(xiàn)變化和人物移動(dòng)場(chǎng)景;

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

6、四種自動(dòng)白平衡調整模式。

·ATW，初始設定自動(dòng)調整;

·ATW Ex，當色溫范圍高于A(yíng)TW模式時(shí)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(dòng)白平衡模式，使用一個(gè)白色靶子作基準自動(dòng)調整白平衡;

·MANUAL手動(dòng)調整R紅增益和B藍增益。在確定監控場(chǎng)景和目標后，選擇一種最佳的白平衡模式，以保證色彩最好。

7、在色彩調整方面，將廣播級技術(shù)應用到監控攝像機。

·COLOR BAR自身帶有彩條顯示功能，輔助調整色彩，以保證最佳色彩;

·CHROMA色度補償調節，用以調節圖像色彩;

·DETAIL輪廓細節調整。

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的出現彌補了普通攝像機在光線(xiàn)明暗交差成像的缺點(diǎn)，但也存在不足，畢竟寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是針對專(zhuān)一環(huán)境的專(zhuān)用功能。往往是動(dòng)態(tài)范圍大的攝像機其靈敏度較低，高靈敏度的攝像機動(dòng)態(tài)范圍相對較低。也就是說(shuō)目前寬動(dòng)態(tài)攝像機在環(huán)境光線(xiàn)足夠時(shí)完全能夠滿(mǎn)足環(huán)境的需求，呈現出高質(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(guò)大。在夜間低照度的情況，圖像會(huì )出現類(lèi)似雪花點(diǎn)的現象。有時(shí)也會(huì )出現其它現象，如：剛裝上去調試好是正常的，過(guò)段時(shí)間之后畫(huà)面會(huì )出現偏色，這個(gè)現象與環(huán)境的影響或攝像機本身設置都有關(guān)系，一般寬動(dòng)態(tài)攝像機出現偏色都與白平衡有關(guān)，如果原本在調試的時(shí)候設置為自動(dòng)跟蹤白平衡圖像就會(huì )隨著(zhù)環(huán)境的變化而產(chǎn)生不同的白平衡效果，而將白平衡模式調整為自動(dòng)白平衡即可解決。另外在安裝的過(guò)程中安裝的位置對圖像亦有偏差的影響，應盡量避免強光的反射點(diǎn)位置，這些都是寬動(dòng)態(tài)攝像機安裝調試要注意的事項。

DPS寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的應用場(chǎng)合

優(yōu)良的寬動(dòng)態(tài)功能可使DPS攝像機在光線(xiàn)反差較大的環(huán)境中(特別從室內看室外時(shí))看清全景中每個(gè)角落的細節，譬如安裝了寬大玻璃窗的辦公大樓大廳、銀行、ATM機、商店、機場(chǎng)等，這些位于門(mén)口、窗口等處具有明亮背景光的監控場(chǎng)景。而在道路交通系統中，利用DPS攝像機的寬動(dòng)態(tài)功能實(shí)現強光抑制效果可以看清車(chē)牌。使用DPS攝像機的寬動(dòng)態(tài)功能(可抑制強光，減小光源的光暈)與極寬的色溫范圍特性(即使在不同光線(xiàn)環(huán)境下仍能保存圖像的原有色彩)，也可將該攝像機用在街道監控系統中來(lái)看車(chē)輛違規情況。

結語(yǔ)

隨著(zhù)監控系統整體數字化發(fā)展的趨勢，攝像機產(chǎn)品數字化發(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，在今后攝像機技術(shù)的發(fā)展中，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，隨著(zhù)攝像機技術(shù)的不斷提升，各種成像技術(shù)存在的不足也將會(huì )迎刃而解。