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浅议宽动态摄像机技术及功能

资讯频道文章B

    本文着重从宽动态摄像机的发展背景出发,介绍了背光补偿技术、两种不同的宽动态技术比较以及宽动态摄像机的几种主要功能。为读者们提供了一个系统的宽动态摄像机的技术理论和发展情况。

    现在宽动态摄像机已不是新鲜的事物,早在十年前,松下就研制出了第一代宽动态摄像机。到2005年,松下推出了第三代宽动态摄像机,高达160倍的宽动态范围,从而在真正意义上实现了宽动态效果。

    在监控摄像机的应用过程中,经常会出现明暗反差较大或逆光的场景。在同一位置往往会面临多种照明条件,很多地方照明分为日光和人工照明的混合光,并在不同时段下出现明暗反差非常大或者说强背光的情况,如在银行的储蓄所、出入口等处,因为从窗外射入的强光都可能对当时室内外场景的捕获造成困难,不能同时将反差很大的室内外场景清晰地拍摄下来。

    普通摄像机由于受CCD感光特性所限制,拍摄的图像会出现背景清晰前景过暗的情况,效果不理想。一个普通摄像机只有一个快门速度选择,其取所有进入CCD光线亮度的平均值决定曝光等级,普通的摄像机在采集图像信号后,根据画面的整体亮度对画面进行一个自动增益调整。这不是一个理想的办法,当快门速度增加的时候,光圈被关闭导致主要目标变得太黑而看不见。这种情况在同一幅画面明暗对比很强烈时,会出现无法控制合适的曝光速度,导致画面背景明亮前景发黑的情况。

背光补偿技术
    为了解决上述问题,一种称为背光补偿的方法通过对区域加权被广泛使用在具有背光补偿功能的摄像机上。背光补偿技术首先将视场分割成若干个区域,每个区域都可以独立加权计算曝光等级,例如中间部分就可以加权到是其余区块的数倍。因此,一个在画面中间位置的目标可以被看得清晰些,因为曝光主要是参照中间区域的光线等级进行计算。然而有一个非常大的缺陷,如果主要目标从中间移动到画面的上下左右位置,目标会变得非常黑,因为在这些位置已经不被加权或只加较小的权。所以说有背光补偿功能的摄像机,仅只能有限地改善背景明亮前景发黑的问题。背光补偿功能虽然在整体上不会出现曝光过度或者过暗的情况,并使得发黑的前景有所改善,但要达到令人尚可满意的整体效果还是有相当的距离(背光补偿技术在两种不同摄像机中的应用比较如图1所示)。

    自宽动态技术的出现较好地解决了以上述问题。宽动态摄像机(不管是采用DSP技术的CCD摄像机,还是采用DPS技术的CMOS摄像机)采用了先进的宽动态图像传感器和图像处理技术,视频传感器在曝光周期内对每一个像素点的采光进行多次取样,不仅记录每个像素的采光总量,也计算采光的变化速率,对每个像素的曝光处理可以达到更宽的动态范围。

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当前主要的宽动态技术比较
    CCD宽动态技术是采用特殊DSP(数字信号处理)电路,对明亮部分进行最合适的快门速度曝光,然后再对暗的部分用最合适的快门速度曝光,之后将两个图像进行DSP处理重新组合,使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。这需要较高的技术使色彩和清晰度损失最小。但无论怎样,经过这样处理后的图像会失去其原有的色彩效果,这也是当前宽动态摄像机面临的最大问题。然而由于CCD的特性所限制,摄像机宽动态范围最大只能到60dB(松下第二代超级宽动态范围80倍--48dB、第三代宽动态范围达到160倍--54dB)。这就是我们平常所说的CCD宽动态摄像机的工作原理,因为扫描速度要提高一倍,所以需要双速CCD和相应的DSP芯片进行支持,这也是宽动态CCD摄像机价格比较高的原因。

    宽动态技术并不是CCD摄像机独有的,由于CCD的感光特性限制,在技术上很难再有重大突破,而CMOS宽动态摄像机将会有突出的表现,可以说未来的监控摄像机都会有宽动态功能,而宽动态技术将属于CMOS。

    其中以Pixim公司最新出来的基于CMOS技术的DPS图像拾取系统最为突出。此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像。可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在动态范围上,DPS采用的单一像素曝光和ARM7控制技术,相比于CCD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技术的摄像机的动态范围可到达95dB,最高可至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,完全能够满足不同条件下不同用户的要求。

    DPS技术的核心是在每个像素点在捕捉图像时即将光信号转换数字信号——由模拟到数字转换ADC(analog-to-digital converter),这样使信号衰减和色度亮度串扰降到最小,使传感器为每个像素提供最佳、独立的曝光次数,一旦数据以数字形式被捕获,多种多样的数字信号处理技术可被用于图像再现。即使在极端照明的条件下都能拍出还原准确、低噪声的图像。

    Pixim的DPS技术使用被称为“多点采样”技术,在一个单独的捕获画面,每个像素被独立地无破坏性地多次取样。成像系统决定最佳取样时间和存储像素信息。每个像素捕捉到的存储信息值(强度、时间、噪波弥补)被并行处理,然后转换成高质量的图像。对比之下,其它技术每帧设定一个曝光时间,并同时对每个像素取样,结果导致一些图像的像素曝光不足,还有一些像素曝光过度了。

    因为Pixim的DPS技术的每一像素都有自己的模拟——数字转换器,产生的信息被独立捕捉和处理,每一个像素在其摄像机内都起到了作用。在图像传感器的像素排列位置上,每一个像素的曝光时间被调节去处理独特的光条件。基于DPS系统平台制造的一个摄像机实质上都有成千上万个独立摄像单元,每个摄像单元都尽可能创作出最好的图像。这些图像然后被结合起来创造一帧高质量的视频画面。

宽动态摄像机的主要功能
    时隔三年不到的时间,奋起直追的中国安防行业,己经逐步接触并开始掌握了宽动态技术,宽动态摄像机开始走进了寻常百姓家。银行和城市道路监控是监控系统最大的消费行业,理所当然地成为了宽动态技术的最先受益者。

    在银行各储蓄网点中,柜员、ATM机和大厅是主要的监控场所。柜员从柜台内向柜台外进行监控;大厅则是各个角落及进出口监控;绝大部份ATM机更是24小时工作,会直接面对强弱光的反复变化而需进行监控。一般银行的储蓄网点,面积并不是太大,从建筑结构上看,许多都是使用大面积玻璃墙来采光。这种环境下,背光的情况尤为突出。在看到的很多银行监控录像中,都会发现有人像过暗、背景过亮而给人像辨识带来一定难度的情况。

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    而宽动态摄像机用于道路监控的重点是高速公路收费监控,主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭收费,对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件进行观察和记录。尤其在晚上,收费站工作人员需要看清车牌,而一般情况下,车灯打开后,路上的环境照度与车牌照度形成了明显的较大的动态范围,而常规摄像机是难以胜任“看清”任务的,所以对宽动态、低照度摄像机就有了迫切的需求(普通摄像机和宽动态摄像机抓拍效果图比较如图2所示)。

    作为一款高端的监控产品,现在已有某些品牌的宽动态摄像机能为银行和道路监控提供一系列功能,能够满足银行和道路监控应用的需求。

    下面以某国产品牌的宽动态摄像机为例,让我们来浏览一下该品牌宽动态摄像机一系列的功能特点:
·快门选择功能:可以实现手动、自动、极速等多种快门选择模式,完全消除因为快门速度不匹配而出现画面闪烁,图像过暗或过亮的情况。这使得摄像机在室内人工强光环境下,也能直视强光背景而工作;
·多级自动增益控制功能:宽动态摄像机不会只提供一个简单的AGC开关,这种模式并不适合于很多特殊的环境下使用,通过实践与技术的结合,加入了四级宽动态模式,即HIGH(6 —52DB)、MIDDLE(6—30DB)、LOW(6—18DB)、OFF(6DB)。用户可以根据不同的光照环境,来调整所需的宽动态范围,从而既实现视场的宽动态效果,又确保了图像的质量;
·色彩调整功能:针对摄像机容易出现的偏色情况,宽动态摄像机不仅提供强大的白平衡设置功能,而且还额外增加了色彩调整功能,用户可以通过菜单,自行对图像色彩的红、绿、蓝比值进行调整,以此来满足不同的使用环境,不同观感的客户群体;
·区域遮蔽功能:在银行应用领域,区域遮蔽功能也是必不可少的。在摄像机设计了四个可以开关、大小和位置都能自行调整的画面遮蔽区域,在应用上,操作简单而且非常实用;
·画面遮蔽侦测功能:除了区域遮蔽功能外,还为银行客户提供的四区域画面移动侦测功能,以应对可能出现在画面恶意破坏情况,特别是人为的恶意遮挡画面,影响监控的情况发生;
·其它附加功能:为了在较黑暗的环境下使用,不仅提供了基本的彩转黑功能,更难得的是,加入了帧积累和数字降噪功能,使在极其黑暗的环境下,也能摄取符合要求的监控图像。

结语
    随着电视监控应用的深入和安防要求的不断提高,宽动态功能已经成为在某些特殊应用领域,对摄像机提出的一个非常重要的指标。宽动态长久来一直是厂商们所追求的,同时也是用户所企盼的,其发展空间广阔。

    当前不管国外还是国内,众多厂家八仙过海各显神通。目前,摄像机市场正是五彩缤纷,各厂商适应市场需求,纷纷推出了宽动态摄像机。在这纷乱的市场环境中,用户自己要保持清醒的头脑,只能根据自身的具体工程应用需求、现场环境和性价比等,进行总体考量,才能酌情选择出最适合自身的产品。

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