解析宽动态技术在监控摄像机中的应用

1.前言
 
随着科技的发展，社会的进步，电子摄像技术已经广泛的应用在商业、民用、安防等诸多领域。可以说，在现代人类社会，我们身边可谓是"眼线密布"，我们的一举一动，都有摄像镜头监控。现在，摄像监控是我们安保系统中最重要的、不可或缺的一环。在对高科技越来越依赖的同时，对安防设备的品质要求也就越来越高，这也相应促进了监控设备技术的快速发展。
 
2.宽动态技术的产生
 
按照度值来衡量，自然光线的排列是从120000Lux（勒克司 照度单位，为距离一个光强为1cd的光源，在1米处接受的照明强度）到星光夜里的0.00035Lux，当摄像机从室内看窗外，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是10000Lux，对比就是10,000/100=100:1。在这种对比下人眼能很容易的同时看清室内和室外的物体，因为人眼能处理1000:1的对比度。然而传统CCD（Charge-coupled Device电荷耦合元件）摄像机的成像就会有很大的问题，因为传统摄像机只有3:1的对比性能。
 
当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。安装现场复杂的光线环境，则会导致监控摄像机只能看到监控目标的轮廓，同时会出现画面被破坏、缺乏色彩层次等问题。这说明摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。“动态范围”是一个应用非常广泛的概念，在反映摄像机拍摄图像的指标时，一般是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度及色温的变化范围。正是由于光线与成像之间的矛盾，促进了宽动态(WDR即 Wide Dynamic Range)技术的产生和发展。宽动态摄像机技术就是使摄像机在光线对比非常强烈的条件下看到物体清晰的图像而运用的一种技术。
 
3.宽动态技术的实现
 
监控摄像机的宽动态技术现在有二种重要实现方式：CCD+DSP技术和CMOS+DPS技术。
 
3.1 DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理）芯片
 
DSP（Digital Signal Processing数字信号处理）芯片是一种特殊的微处理器，是根据数字信号处理理论的数学模型和算法而设计的专门的数字信号微处理器芯片，具有强大的数据处理能力和高速的运行速度。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字信号解译回模拟信号或实际环境格式。DSP芯片计算程序全部“硬化”，数字滤波器所需要的其他设备也全部集成、硬化，比如加法器、存储器、控制器、输入/输出接口，甚至其他类型的外部设备也有集成。许多在模拟信号处理器中无法进行的工作，都可以在数字处理中进行，如二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背景光补偿、肤色轮廓校正、细节补偿频率调节、准确的彩色矩阵、精确的校正、自动聚焦等。DPS摄像机工作原理图见图1。

图1 DPS摄像机工作原理图

3.2 CCD+DSP技术
 
目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有输出信号伽马修正方法、对数压缩放大方法、单帧图像两次取样方法、单帧图像多次取样方法四种。在安防监控领域中，一般多采用单帧图像两次或五次取样方法，尤其多用两次曝光取样的方法。下面介绍一下这种曝光取样方法的原理。
 
所谓“单帧图像两次取样方法”或说“两次合成电子快门”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的两次取样曝光图像分割合成技术。其工作过程如下：
 
首先，利用成像器件CCD对较暗的景物进行曝光（如用1/50s快门），将得到的第一帧图像存储到数据缓冲存储器中。
 
其次，利用高速数字信号处理器DSP对送来的图像数据进行分析，如果图像中较暗的部分属曝光正常，而有部分高亮度区域（即曝光过度的区域），就要对其进行亮度评估。
 
第三，根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光（如1/2000s快门），并将第2次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中，

 
 
如此即同时取得两张明暗两区均为正确的影像。
 
最后，再利用高速DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理方法，将两影像在DPS中高速运算相加，即可将两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，然后在一帧新的图像中合成起来，就能以标准制式实时输出亮暗动态范围很宽的图像，例如：室内人物照度为10Lux，而室外景物为1000Lux，此时CCD摄像机可采用1/60秒的速度对室内景物取得正确曝光，再用1/6000秒对室外的景物取得正确的曝光，然后将两张图像结合即成为比较完美的图像。
 
3.3 CMOS+DPS技术
 
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体)宽动态摄像机扩展动态范围的方法有：双斜率输出模式、对数输出模式、伽马校正输出模式、线性-对数输出模式与CMOS+DPS数字像素式等。下面就简要的介绍一下CMOS+DPS数字像素式的CMOS摄像机扩展范围的原理。
 
传统的CCD和CMOS摄像机传感器都是为每一列或每一行像素点配备一个模拟转换器(A/D)，每个像素点的输出都是模拟光信号，存在着噪声大和输出时间长等缺点。而CMOS+DPS技术是在图像传感器的每一个像素点上都包含了一个10位A/D转换器，即在每个CMOS摄像机图像传感器上的有源像素捕捉到光信号时，直接将其放大并转换为数字信号，从而可将阵列上的信号退化和串扰降到最小，并允许采用更好的降噪办法，一旦数据以数字格式捕获，就可以采用数字信号处理技术来真正重现图像。CMOS+DPS技术中的图像传感器和图像处理器是全数字式的，并采用32位ARMCPU精确控制每个像素，使每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换成数字信号，是真正的全数字图像处理系统。
 
此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图片。宽动态功能极大地提升了一幅图像中亮区域和暗区域的影像拍摄效果，可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在宽动态处理上，CMOS+DPS技术采用的是每一个像素单独曝光和ARM7控制技术，相比于CCD+DPS的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说，采用DPS技术的CMOS摄像机就目前的处理技术，其动态范围即可到达95dB，甚至可至120dB。在扩大动态范围的同时，DPS也解决了CCD传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足，其色彩还原性更加真实，能够满足应用的要求。使用这种技术的摄像机在数字图像传感器里每一个像素中都使用了一个模拟数字转换器(ADC)，在捕捉到光信号时直接转化为数字信号，最大程度地降低了信号在排列中的衰减和干扰。
 但由于DPS是基于每个像素单独处理的技术，因其每个像素都包含一套完整的处理电路，从而也大大减小了每个像素的感光面积，即感光量减少，其结果是基于CMOS和DPS技术的摄像机，其灵敏度是有显著影响的。
由于CCD的固有特性，即便是采用多次曝光方式，CCD摄像机的宽动态范围最多也只有66dB，而CMOS宽动态摄像机据悉其动态范围已能达到120dB以上。可见，在未来，CMOS宽动态技术将有更大的发展空间。
4.结束语
宽动态技术的出现弥补了普通摄像机在光线明暗交差成像的缺点，但是同时也出现了相应的不足，毕竟宽动态技术是针对专一环境的专用功能。往往是动态范围大的摄像机，其灵敏度低，高灵敏度的摄像机动态范围相对小，也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下的实用状况就不是那么理想了。在夜间这种低照度的环境下，图像会出现类似雪花点的现象，有时也会出现其它现象，如：偏色等。
这个现象与环境的影响或摄像机本身设置有关。另外，在安装的过程中，安装的位置对图像的偏差亦有影响，应尽量避免安装在强光反射点的位置。宽动态在打开时，其它方面的指数就会有所降低，比如清晰度、灵敏度、色彩等，相应的图像就会有画面变得稍微模糊，色彩饱和度下降，画面显得较淡等等问题。当然，宽动态作为一种非常实用的监控摄像机技术，其在技术层面的发展必然会精益求精的。总之，唯有宽动态技术自身的不断提升，才能被更多的使用者接受，才会有更广泛的应用。