寬動態(tài)攝像機能解決應(yīng)用中所遇到的所有背光問題嗎?
在監(jiān)控攝像機的使用中為了能看清楚同一個圖像里的明亮與暗淡的部分,背光補償技術(shù)被最先提出并應(yīng)用到了實際環(huán)境中,來解決這種問題.但這種技術(shù)只是部分解決了背光的情況,對于畫面整體的畫面明暗調(diào)節(jié)還是不能達到另人滿意的效果.而之后便又有了一種叫做寬動態(tài)攝像機的技術(shù)出現(xiàn),并試圖填補了背光補償技術(shù)針對明暗處理效果的不足,而實際用中這種技術(shù)也確實大大提高了攝像機對背光環(huán)境的適應(yīng)能力.
現(xiàn)在寬動態(tài)技術(shù)能很好的解決畫面明暗之間的把反差問題.并廣泛的運用于背光比較多的銀行ATM機,大廳的服務(wù)窗口等經(jīng)常有強光直接影響的地方,這種能看清楚背光下的前景與背景的攝像機比起簡單的背光補償功能是一個極大進步.
然寬動態(tài)技術(shù)出來了幾年后,隨著有了CCD和DPS兩種主流技術(shù)的相繼出現(xiàn).而且在實際的應(yīng)用過程中也有了背光補償不可取代的優(yōu)勢但是做為能將攝像機具有人眼功能的寬動態(tài)技術(shù)是怎樣以人眼的工作方式來適應(yīng)所有的背光環(huán)境的呢,它有沒有其不可避免的局限性呢?
寬動態(tài)的特色
DPS寬動態(tài)目前以最大120Db的動態(tài)范圍一直被看做是未來寬動態(tài)發(fā)展的重要趨勢.其最大的特點就是每個像素能夠控制其多次采樣和曝光的能力與時間.就像人的眼晴一樣,能根據(jù)自己想看的事物光線的強弱調(diào)節(jié).
寬動態(tài)在實際應(yīng)用中的效果如下
傳統(tǒng)CCD攝像機單次采樣曝光的圖像
DPS攝像機逐點采樣多次曝光的圖像
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寬動態(tài)的發(fā)展歷史
CCD成像器件在上世紀60年代初開始應(yīng)用，現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)非常成熟。從數(shù)碼相機、監(jiān)控攝像機到專業(yè)廣播級攝像機大部分在使用CCD。但在廣播級攝像機世界排名首位的池上公司新推出的廣播級高清硬磁盤攝錄一體機是采用2/3英寸3CMOS成像的，各項指標都不低于CCD攝像機。在監(jiān)控行業(yè)一直是CCD攝像機的天下，但近兩年DPS成像技術(shù)的寬動態(tài)攝像機漸漸進入人們的視線。從原理上講，CCD寬動態(tài)攝像機是采用2次曝光技術(shù)進行DPS處理，而DPS(DigitalPixelSystem)數(shù)字成像系統(tǒng)，是每個像素點將光信號直接轉(zhuǎn)換數(shù)字信號，每個像素點根據(jù)射入光線的亮度計算曝光時間，它的寬動態(tài)范圍可以達到120dB。從原理上講DPS技術(shù)更先進，它能像人的眼睛所具有的寬動態(tài)調(diào)節(jié)功能。雖然它剛剛投入商業(yè)運作才兩三年，芯片組從D1000、D1500、D2000到D2500幾種，圖像清晰度從480線提升到540線，最低照度從1.0Lux/F1.2,到0.5Lux/F1.2，但已經(jīng)在寬動態(tài)方面顯示出優(yōu)異的性能。由于CCD在原理上的局限性，在寬動態(tài)技術(shù)上不可能有很大的發(fā)展，而DPS技術(shù)還處于年輕的發(fā)展期，因此在寬動態(tài)攝像機的照度上，還達不到很好的指標，在光線很強的白天，寬動態(tài)效果很好，在光線較暗的時候，寬動態(tài)效果不明顯。但隨著DPS技術(shù)的發(fā)展，它的全項指標將趕超CCD，將逐漸接近人眼的自動調(diào)節(jié)功能，而寬動態(tài)功能也將成為攝像機必備的基本功能。
其優(yōu)勢在哪,缺點在哪?
那寬動態(tài)的優(yōu)缺點在哪里呢?我們先從寬動態(tài)的概念來認識它.
什么叫寬動態(tài)?簡單地說寬動態(tài)就是場景中特別亮的部位和特別暗的部位同時都能看得特別清楚。寬動態(tài)范圍是圖像能分辨最亮的亮度信號值與能分辨的最暗的亮光信號值的比值。
寬動態(tài)的表現(xiàn)方式以“倍數(shù)”或“dB”來表示，在以100IRE為標準時，換算公式：NdB=20log(V2/V1)。普通攝像機(稱V1)的寬動態(tài)值為10dB,如寬動態(tài)為48dB，與普通攝像機之間的差為38dB，V2/V1=80，說明與普通攝像機寬動態(tài)差為80倍，松下第三代寬動態(tài)攝像機是54dB，V2/V1=160倍。
池上ISD-A10攝像機典型動態(tài)范圍95dB，V2/V1=17782倍，最大寬動態(tài)范圍120dB，V2/V1=316227倍。
從“倍數(shù)”上看，采用PiximDPS技術(shù)的攝像機，寬動態(tài)范圍要比CCD寬動態(tài)范圍有極大的提高。
對于DPS技術(shù)，每個像素對應(yīng)的光線都可以優(yōu)化曝光，每一幀數(shù)據(jù)讀取時間只需0.8毫秒(傳統(tǒng)CCD技術(shù)則需數(shù)十毫秒)，這樣系統(tǒng)可以對每個像素進行多次單獨采樣;而成像系統(tǒng)控制著每個像素的最佳采樣時間，在每個像素達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息。在所有像素被采集后，系統(tǒng)再對其進行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像。即使在最苛刻的光照條件下，也可捕捉到清晰、逼真的圖像，再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。
DPS攝像機工作原理圖
采用傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的攝像機在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，必然會出現(xiàn)對整個圖像中明亮的區(qū)域過度曝光，或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。CCD寬動態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP(數(shù)字信號處理)電路，對明亮部分進行最合適的快門速度曝光，然后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個圖像進行DSP處理重新組合，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，在技術(shù)上很難在有重大突破，有的CMOS技術(shù)已經(jīng)達到160dB,可以說未來的監(jiān)控攝像機屬于寬動態(tài)攝像機，寬動態(tài)技術(shù)屬于CMOS。
雖然DPS寬動態(tài)技術(shù)比CCD有更大范圍.其完全不同的明音處理方式是CCD所無法達到的.可是DPS寬動態(tài)技術(shù)是基于CMOS圖像成像器件,其最大的缺點就是照度不是很低,只要是在光線偏暗的環(huán)境就能出現(xiàn)明顯的噪點.讓使用者難以看到陽光充足時的完美圖片了.而CCD在這方面卻比CMOS要表現(xiàn)優(yōu)秀,可是CCD由于是采用雙速成像的原理.其處理后的畫質(zhì)遠比不上DPS技術(shù)寬動效果來得逼真.其實CCD寬動態(tài)功能實際上是一種背光補償?shù)纳壈?在提高前景亮度時背景甚至整個畫面的亮度也就不可必免的也變亮了.所以在實際應(yīng)用中,對于有寬動態(tài)的功能的針孔攝像機對這種受這種因素的影響非常大,而安裝人員往往只能通過另調(diào)安裝角度盡量避開強光的干擾.所以寬動態(tài)技術(shù)也并不能完全解決我們使用中所遇到的所有背光情況.
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寬動態(tài)中的噪音如何消除----數(shù)字降噪技術(shù)是真實有用還是只是個噱頭
DNR(DigitalNoiseReduction)為數(shù)字降噪技術(shù)，用數(shù)字處理降低混雜在視頻信號中的雜質(zhì)。特別多是指監(jiān)控硬盤刻錄機和DVD播放器中的將錄像機和電視中視頻信號雜質(zhì)降低的處理功能。
作為代表性的視頻信號DNR手法，它從視頻信號中將亮度信號(Y)和顏色信號(C)分離(Y/C分離)，分別對它們施與數(shù)字處理,將亮度信號中的雜質(zhì)(飄飛·粗澀)及顏色信號中的雜質(zhì)(多余的顏色信息)去除。
另外,還有從每個影像的框架中的不同查出并除去雜質(zhì)的3維數(shù)字降噪(3DNR)等手法。
現(xiàn)在銷售的產(chǎn)品一般是進行了Y/C分離之后，分別對Y信號，C信號進行3DNR的手法。
數(shù)字降噪在實際應(yīng)用中效果到底有多明顯,其實在實際應(yīng)用中這個功能只是一個錦上添花的功能,更多的像是一個概念噱頭.而真正要想降低噪音還有待新的寬動態(tài)產(chǎn)品的問世.
跟CCD的寬動態(tài)效果相比DPS的優(yōu)勢是值得做為未來寬動態(tài)市場的引跑者.但它有也它自己的不盡人意之處,噪音過多,照度不低.未來該如何改進呢
寬動態(tài)末來的發(fā)展趨勢
近來SONY針對降低噪點問題另一種新的技術(shù)又開始孕育而生------EFFIO方案.
SONY針對影像監(jiān)控攝影機開發(fā)了”EFFIO”數(shù)位記號處理器(DigitalSignalProcessor,DSP),提供高解析畫質(zhì),高信噪比(SignalNoiseRatio,SNiseRatio,SNR,就是信號與噪音的比值,比值越高,表示機器所輸出的記號品質(zhì)越好)及高色彩重現(xiàn)能力.
EFFIODSP支持NTSC規(guī)格480K有效像素CCD,以及PAL規(guī)格570K有效像素CCD.
透過EFFIODSP與新款CCD搭配,能達到超過650條TVLINES的水平解析度,相較于一般標準的攝像機,這樣的方式能提供更清楚的影像畫質(zhì),其顏色記號處器提供理想的顏色亮度及濃度平衡.
EFFIODSP結(jié)合了2D和3D雜訊抑制記號處理器,能降低雜訊,即使拍攝移動中的目標物,也無損動態(tài)解析度.
值得關(guān)注的是EffioDSP支持寬動態(tài)(WindDynamicRange,WDR)的CCD,因此,在背光及亮度反差極大的環(huán)境下,也能呈現(xiàn)淺析的影像畫面.其特色的色階處理功能,能夠?qū)档谋尘傲炼忍嵘粫黠@地提高前景整個畫面的亮度.
EffioDSP能提高「SuperHADCCDII」效能。Sony的影像感應(yīng)器擁有高穩(wěn)定度及敏感度，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控攝像機中。
此外，EffioDSP結(jié)合了周邊電路，不僅能因此縮小攝像機體積,還能減少電力消耗.
總述,在寬動態(tài)的發(fā)展過程中,人們并不是只用一種途徑來解決攝像機的背光問題,而且出現(xiàn)了多種技術(shù)共同發(fā)展的趨勢,這倒不但讓我們安防人對未來攝像機的發(fā)展看了些許希望.我們還是有理由相信,未來寬動態(tài)的發(fā)展會比我們想像還要快的速度進行技術(shù)更新.會有更令人滿意的效果呈現(xiàn)出來
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