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宽动态摄像机技术发展与应用  

2007-07-07 20:22:20|  分类: 视频监控系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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[摘要]:源于斯坦福大学的PiximDPS成像技术,申请了56项专利,其中42项已经生效。世界著名摄像机制造商池上公司(Ikegami)采用该技术及其广播级摄像机部分技术应用到监控摄像机,2005年10月推出池上ISD-A10摄像机,一经问世它就以比传统CCD摄像机优异的宽动态效果、色彩真实还原及高清晰度,得到欧美金融机构、安全行业等用户的广泛好评。

一、宽动态摄像机发展过程

安防行业是一个发展迅速的市场,通过视频监控可以看出这个市场的广阔前景和成长情况。视频监控市场包括摄像机、监视器、数字录像机、音视频矩阵、画面处理器等产品。近期世界范围内的一些事件促进了在视频监控产品需求的增长,尤其是对具有高品质视频图像产品的需求。

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。出于安全考虑,CCD摄像机被安装在需要监控的室内外,由于在同一位置往往会面临多种照明条件,很多地方照明条件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、背光等情况,如在银行储蓄所、重要场所出入口等,因为从窗外射入的强光和从天花板上的荧光灯照射的柔和光线都可能对当时室内外景象的捕获造成困难,不能同时反差很大的室内外场景清晰地拍摄下来。然而对于保安行业来说,要求在复杂的光线条件下,拍摄出清晰画面,不丢失细节。普通摄像机由于受CCD感光特性所限制,拍摄图像会出现背景过亮前景过暗,或背景清晰前景过暗及前景适合背景过亮的情况,传统摄像机一般会采用背光补偿技术或在室内外放置两台摄像机来适应较大的光线反差,但效果不太理想。针对这种情况宽动态技术诞生了。

1977年松下公司推出第一代宽动态摄像机,它的宽动态范围是40倍。到了1999年松下公司推出第二代超级宽动态摄像机,它的宽动态范围达到80倍(48dB)。2005年4月松下的第三代超级宽动态摄像机问世了,它的宽动态范围达到160倍(54dB)。目前宽动态技术主要由国外一些大的摄像机制造商掌握,虽然各家的技术方式方法不同但在使用CCD实现宽动态的原理基本一致。宽动态的主要技术是采用特殊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,然后将两个图像进行DSP处理重新组合,使明亮的部分和暗的部分都可以看得清楚,这需要很高的技术使色彩和清晰度损失最小。然而由于CCD的特性所限制,摄像机宽动态范围最大能到60dB左右。

在2005年10月,池上公司推出采用Pixim的DPS成像技术的超宽动态摄像机ISD-A10,它的动态范围高达120dB,并具有非常好的色彩还原和清晰度。它标志着宽动态技术有了巨大的突破,新一代宽动态摄像机已经站在更高一层的起点上向前跨出一大步。

二、Pixim的DPS技术超级宽动态摄像机问世 

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在2005年9月美国佛罗里达州奥兰多ASIS国际安防展会上,一项基于CMOS的新技术Pixim的DPS(DigitalPixelSystem®,数字像素系统)CCTV摄像机给人耳目一新的感觉。专业广播电视摄像机和CCTV摄像机制造商—Ikegami池上公司推出了它的首台PiximDPS摄像机HyperDynamicISD-A10,它成为展会的亮点。并在展会后得到美国、欧洲银行和金融机构等行业广泛欢迎。

下面的图像显示Pixim摄像机和普通CCD摄像机在相同场景下的比较。
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这次池上公司将其在摄像机领域领先的低垂直光斑和背光补偿、色彩调节等技术与Pixim技术相结合,推出超级动态ISD-A10摄像机。

在任何光亮条件的正常的或宽动态范围场景下,Pixim的DPS芯片集排列紧密,易于形成一定形状,能拍摄非常优质的图像。在现存模拟技术拍摄实际图像时,由于光线的不断变化和物体颜色精确还原的限制出现物体识别差和图像色彩还原差等缺陷,而用Pixim成象技术的连贯性和准确性克服了这些缺陷。DPS图像传感器在每一个像素上将光信号转换成数字信号,使得每一个像素有独立的和最优化的曝光时间来产生高品质、高颜色精度的图像。

三、Pixim的DPS技术背景

Pixim公司开发研制出一种优于传统CCD的有专利的DPS成像技术,它标志着图像技术在基础原理上的突破。DPS技术由美国斯坦福大学电子工程学教授AbbaselGamal与其带领的博士研究生DavidYang(杨晓东)于1993年开发而成,后来被授权给杨晓东博士于1999年创立的Pixim公司。自此以后,Pixim公司对DPS概念和技术申请了56项专利,其中42项已经生效。

DPS成像技术在视频摄像捕捉和处理图像过程中有着变革性的意义。采用该技术拍摄出高质量的移动和静止图像超过任何现有的其它技术。所谓DPS平台,通过在一个优化系统内,将图像捕捉和处理结合起来,Pixim的成像系统具有无可比性的功能。Pixim提供了完整的数字成像系统包括一个图像传感器、图像处理器、摄像机参考设计方法,软件和关键算法,使摄像机易于开发设计和形成高质量、高级性能的摄像机。

四、Pixim的DPS技术的基本原理

DPS技术的核心发明是在每个象素点在捕捉图像时将光信号转换数字信号——由模拟到数字转换ADC(analog-to-digitalconverter),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被用于再现最好的图像。即使在极端照明的条件下的高动态范围场景,都能拍出还原准确的低噪波图像。

Pixim的DPS技术使用被称为“多点采样”的技术,这个技术用于收集信息,以实现高品质的图像和宽动态范围。在一个单独的捕获画面(在视频中一般每秒50到60次),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在像素饱和前,并不再保留额外的电荷。在下面图表中,亮的像素被存储在时间轴T2,在它达到100%饱和前的最近一次抽样时间。
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暗的象素积累电荷更慢一点而且将用更多的时间直到它被取样存储在T6。每个象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象素曝光不足(太暗了),还有一些像素曝光过度了(太亮了)。

Pixim的第一个基于DPS技术产品D2000视频成像系统是由数字成像传应器和数字图像处理器组成。数字成像传应器和数字图像处理器很像人的眼睛和大脑,双向实时交互捕获可能的最高质量的图像。就像人走进了黑暗的房子,大脑指挥人的眼睛瞳孔去寻找光亮,数字图像处理器载入新的编码进入传感器不仅改变曝光时间而且改变实际图像捕捉计算方法。结果是在特别的图像特性和光亮条件下,获得最佳图像。

因为每一象素都有自己的模拟-数字转换器,产生的信息被独立捕捉和处理,每一个象素在其摄像机内都起到了作用。在图像传感器的象素排列位置上,每一个象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的独立摄象单元,每个摄象单元机都尽可能的创作最好的图像。这些图像然后被结合起来创造一帧高质量的视频画面或图片。由于成象技术不断向整个数字系统靠近,Pixim的DPS技术将会给高质量的视频摄像机和照相机提供图像捕捉和处理基础。

五、传统CCD摄像机和Pixim摄像机性能比较

PIXIM技术的发展是依赖大量的数模转化以此来减少图片上的强光闪烁实现的。每个象素和一个数模转换相配套,因此强光象素降低了暴光量,低光象素相反增加暴光量。

PIXIM技术推动了宽动态范围的数字视频。你眼睛看到的画面并不是你能拍到的画面,至少不是通过数字视频得到的。使用CCD图像传感器的最大问题是拍摄的图像效果远不如眼睛看到的图像。眼睛可以自动调节,适用连续变化的光线,看到最理想图像。当眼睛看到一幅包含亮光和暗光的场景时,能够减少对强光区域的敏感度,增加对黑暗物体和阴影部分的细节的敏感度。

一个CCD传感器可以调节亮景和暗景,但是不能同时对两个亮度进行调节。因此当你扛着摄像机在屋内来回走动的时候,得到的曝光效果是不错的。但是如果你的镜头对着阳光照射的玻璃时,这个摄像机就不能很好工作了,你不能看到外面的任何东西。相反地,前景的亮物体将淹没在后景的暗物体。在阴影部分的所有东西变成了黑色。

有限的光亮范围不会影响到家用摄像机的功能,而且也被经常用到电影里以达到艺术效果。但在安防摄像机市场使这种效果不可取。如果坏人躲在阴影下,你就不能够识别它。如果强光照射的场景中的细节丢失了就可能失去有价值的线索。

PIXIM用一个新的CMOS传感器技术——DPS解决了这个问题。尽管前景是强光的条件下,阴影部分物体仍然清晰可见。强光区域的物体也没有遗失。PIXIM摄像机与CCD摄像机双画面对比的例子生动且有说服力,而且在安防摄像机工业方面被认为是可信任的。

在下面照片中,左边看到的是PIXIM图像传感器,右边看到的是索尼CCD传感器。由于CCD系统是采用模拟技术,应用粗糙的三期组成很多部件。相反地,PIXIM系统是数字的,而且有相配套的芯片,在象素对象素的基础上观察和处理图片。随机的ARM-100处理器使得摄像机制造商可以选择PAL或者NTSC输出和动态地调节敏感度。

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下面的图片描述了Pixim的高质量图片是怎么捕获的,并且描述了这个技术和传统CCD技术在几个方面的不同之处。

宽动态范围WDR
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以Pixim为基础的摄像机可以看清楚室内图像和室外环境的详细情况,包括坏人的图片。以CCD为基础的摄像机,室外的图像都无法得到,包括在场的人。

色彩准确性
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基于Pixim技术的摄像机显示更好的彩色逼真度和清晰度。注意卡片桌和卡片

颜色,以及桌上文字对比度的差别。

极端光线环境
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在珠宝店内有强光照射,Pixim摄像机不受强光影响,室内外图像都很清楚。

白平衡
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在任何光线下,基于Pixim的摄像机比其他技术的摄像机拍摄出彩色逼真度更高的图片。即使在典型(钨灯)照明条件下,Pixim摄像机显示更好的图像质量。基于CCD摄像机在白平衡和色彩准确有缺陷。注意Pixim摄像机得到所有细节彩色图,衬衫上的细节和墙上图像色彩准确度。

六、宽动态摄像机的应用

目前监控摄像机市场的宽动态摄像机种类繁多,很多产品已经从第一代发展到第三代,应用范围越来越广和使用效果越来越好,如银行和金融机构的对外营业部门、高速公路收费站、宾馆写字楼及重要设施的出入口等光线变化大的场所。但现在很多宽动态摄像机使用合成技术,如果技术处理不到位将造成图像还原能力差、色彩容易失真、图像有双影、清晰度达不到要求等现象。随着CCD宽动态技术的发展和新的CMOS技术的应用,摄像机制造商将为市场带来更多更好的宽动态摄像机。

在CCTV监控系统中,前端摄像机占据着非常重要的位置。在选择宽动态摄像机时,应该从以下几个方面着手:

1、根据实际应用场所和监控目标,选择参数、指标、功能要求的摄像机。

2、通过样品演示,核实标出的产品参数、指标、功能是否与产品一致,实测拍摄图像的清晰度、宽动态效果、彩色还原是否真实。

3、选择可靠性高的摄像机。监控系统建成后,若摄像机的质量、可靠性不能保证,需要经常维修、调整或运行一段时间图像质量下降、损坏,这些给用户带来的损失可能超过购买摄像机的费用。

4、选择好的摄像机应该配好的镜头,这样才能表现出最好的效果。

PiximDPS技术的应用无疑将给宽动态摄像机市场带来活力,但真正能将该技术发挥得淋漓尽致,还要看制造商的技术实力。就像很多生产厂家都可以用CCD器件生产摄像机,但技术上领先的还是几家知名品牌的制造商。

以Ikegami池上ISD-A10摄像机为代表的Pixim芯片摄像机,其价格并不比传统CCD摄像机高,在2005年底面市至今,经过全世界范围很多用户长时间使用和观察,得到广泛的认可和好评。 

在全球市场上,有50多个国家超过90多种类型的DPS摄像机在应用,其中许多世界知名摄像机制造商都已经采用Pixim DPS 成像技术。与上世纪60年代开始应用的CCD技术相比,DPS技术还比较年轻,但它的芯片组从D1000、D1500、D2000到D2500,在性能上有了飞速提高,图像清晰度从480线提升到540线,最低照度从1.0Lux/F1.2,到0.5Lux/F1.2,典型宽动态从95dB 到102dB。现在的DPS 摄像机只能算第一代DPS 产品,它已经在宽动态等多方面显示出优越性。对于摄像机“宽动态”现在还是一种特殊功能,不用多长时间“宽动态”将是摄像机必备的功能。
 
在监控行业,生产CCD摄像机的厂家很多,但著名品牌的摄像机与其普通牌摄像机相比,在性能、品质却又很大差别。同样对于最新的DPS 技术,只有在研制和制造技术上领先并有实力的著名企业才能将最新技术表现得淋漓尽致。 

池上公司在2005年11月面向美国、欧洲等海外市场,首次推出基于 DPS 技术监控摄像机。池上公司采用DPS 的“D2000”芯片组,结合其领先的摄像机制造技术,并将部分广播级摄像机技术应用到ISD-A10上,使这种全新的DPS 摄像机以其480线清晰度、真实的色彩还原和120dB 的宽动态范围及秉承一贯高可靠性等特点向人们展示出DPS新一代宽动态摄像机的优异品质。 

七、宽动态范围

什么叫宽动态范围?简单地说宽动态就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚。宽动态范围是图像能分辨最亮的亮度信号值与能分辨的最暗的亮光信号值的比值。宽动态的表现方式以“倍数”或“dB”来表示,在以100IRE为标准时,换算公式:N dB=20log(V2/V1)。普通摄像机(称V1)的宽动态值为10dB ,如宽动态为48 dB ,与普通摄像机之间的差为38 dB,V2/V1=80,说明与普通摄像机宽动态差为80倍,松下第三代宽动态摄像机是54 dB,V2/V1=160倍。池上ISD-A10摄像机典型动态范围95 dB,V2/V1=17782倍,最大宽动态范围120dB,V2/V1=316227倍。从“倍数”上看,采用 DPS技术的摄像机,宽动态范围要比CCD宽动态范围有极大的提高,在实际应用中,只有在亮的部分和暗的部分反差非常大时,才能真正显示出DPS 技术的宽动态效果。

对于DPS技术,每个像素对应的光线都可以优化曝光,每一帧数据读取时间只需0.8毫秒(传统CCD技术则需数十毫秒),这样系统可以对每个像素进行多次单独采样;而成像系统控制着每个像素的最佳采样时间,在每个像素达到最佳状态时存储像素信息。在所有像素被采集后,系统再对其进行处理,最终形成高质量的图像。即使在最苛刻的光照条件下,也可捕捉到清晰、逼真的图像,再也不会因为阴影、眩光、反射和太阳光而使图像发暗或被破坏。
 
采用传统CCD图像传感器的摄像机在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次,必然会出现对整个图像中明亮的区域过度曝光,或较暗的区域欠曝光的现象。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,然后将两个图像进行DSP处理重新组合,使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。由于CCD的感光特性所限制,在技术上很难在有重大突破,有的CMOS技术已经达到160dB,可以说未来的监控摄像机属于宽动态摄像机,宽动态技术属于CMOS。

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垂直光斑 

现在的很多摄像机都可以说是具有低光斑特性,比如Ikegami池上或Dallmeier系列摄像机。垂直光斑准确说是什么呢?
 
光斑是CCD传感器的一个特性,在传感器中没有任何东西阻止强光穿射的曝光和在CCD上产生更多的电子。结果是在图像中强烈的光出现时通常垂直斑纹也出现,在图像中遮盖了相关的细节。
很多具有低垂直光斑摄像机使用IT CCD芯片来减少光斑的数量,IT芯片能提供的更多的好处在于高的S/N信噪比和较低光斑。
 
DPS芯片的核心技术是在每一个像素里模拟信号到的数字信号转换ADC。也就是在准确的捕捉点上,光信号被转化成数字信号。这样做的好处是从模拟信号到ADC转化过程中,像素间没有串扰和没有信号损失。这也意味着噪波大大降低了和形成一个超级动态范围,这样就避免了垂直光斑的产生。池上摄像机低垂直光斑技术是最好的。下面图片是基DPS 技术摄像机和普通CCD 摄像机拍摄车灯时低垂直光斑效果图。
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DPS 摄像机应用效果
 
目前宽动态摄像机主要应用于金融行业,其次是停车场、广场、大厦出入口、港口、道路收费站等强逆光场所。金融行业的营业网点遍布各地,室内外ATM机数量众多,由金融行业自身特点决定其监控系统要高于其它行业,其营业厅在春、夏、秋、冬四季,每天工作时段内,光线变化复杂,要将监控范围内的所有人物细节拍摄清楚,需要高品质宽动态摄像机,这不仅可以帮警方破获犯罪案件,同时可以为发生的纠纷事件提供佐证。
 
尽管宽动态技术发展很快,宽动态效果越来越好,但远达不到人眼的效果,由于宽动态摄像机最低照度指标还很高,在光线越暗时,宽动态效果越差,大部分宽动态摄像机都有背光补偿功能,以提高拍摄效果。

下面两组图像充分展现了在相同时间、角度下DPS 摄像机和CCD摄像机在复杂光线下的拍摄效果。 

1、在珠宝店发生偷盗事件监控过程
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图1 左侧CCD摄像机前有一块玻璃,玻璃上有2处反光,室外部位光线过强无法看清,室内反射光明显。图中顾客将包放在长凳上
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图2 有人在室外准备进入珠宝店。左侧图中玻璃上两处反光变为一处,与图1比较隐约感到窗外有人。右侧途中可以清楚看到窗外有人准备进入房间 

右侧Pixm 摄像机清楚拍摄到进入珠宝店的男人画面,清楚显示面部细节
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图4 显示在店主和顾客 正在观看样品时有人拿走桌上东西和包
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图5 显示窃贼溜出室外,离开作案现场

从上述图片可以看出,基于DPS技术摄像机,可以清晰记录小偷从室外进入珠宝店、行窃、离开全过程。通过录像资料可以准确查处窃贼进入时间和离开时间、去向及可以辨认的面部细节。

2、强逆光反差下集装箱装货
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图6 逆光下集装箱拍摄效果
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图7在搬运工出现在镜头前,人物遮挡部分光线,使进入镜头的光线发生变化,光圈自动调整曝光量减少,CCD摄像机图像变化明显
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图8 在搬运工接近集装箱时,遮挡光线减少,CCD摄像机图像隐约显示人物

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图9 在搬运工人进入集装箱装货时,CCD摄像机图像与图1未进搬运工时一样

从上述图中看出,CCD摄像机受光线变化影响非常大,无法表现出搬运工和集装箱内货物特征。Pixim 摄像机从始至终可以清晰记录装货过程和集装箱内货物状态。

DPS 成像技术的不断发展,终于从后台走向前台,并开始应用到各个领域。企业研发新技术,将功能更多更好的产品提供给用户,带动市场的发展,使需求增长,从而给企业带来效益,并促进企业加大技术投入,形成良性发展。DPS 现在还是少年,另外其它CMOS成像技术也处于萌芽之中,在未来的5年、10年,20年,新的成像器件将会逐步取代CCD。    

来源:http://www.secu.com.cn  中国安防产品网

编辑整理:张新房
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