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细节之处现功夫宽动态摄像机整合大潮来临

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    面对强逆光的恶劣环境,宽动态摄像机解决了安防监控的一大难题,明、暗区域同时看清楚,可以为安防提供更为有力的视频图像。本次专题适逢2008年中国国际社会公共安全产品展览会,本文提供厂家宽动态摄像机新产品,以飨读者。同时管中窥豹,从众新款宽动态摄像机产品中,一窥其发展趋势。

    在安防视频监控中,当拍摄场景中出现不同区域光亮明暗对比强烈的情况时,摄像机总是难以协调强光源与暗光源区域的曝光量,以致拍摄出来的图像难以同时看清楚强光源区域与暗光源区域。宽动态摄像机的出现解决了这一难题。

    而自1997年松下电器有限公司推出第一款宽动态摄像机之后,国内外众多的摄像机厂家如博世、Honeywell、GE、Sony、LG、JVC、池上、慧友等也相继推出了各自的宽动态摄像机。同时,基于CCD与基于DPS芯片的两种技术方案在宽动态摄像机设计方面也呈现出齐步发展的趋势。

技术继续深化 细节体现性能
    目前市场上的宽动态摄像机主要有两种技术实现方案,一种是以图像传感器配合数字信号处理器的方式实现宽动态效果,主要实现形式为双倍速CCD+DSP、普通CCD+双快门等,该技术方案采取双曝光或者多次曝光的方式,并通过DSP将采集到的模拟信号转换成数字信号输出,最后将两次曝光或者多次曝光形成的画面进行合成,从而得到一幅光、暗处都能清晰表现的画面(以下称该类宽动态摄像机为CCD宽动态摄像机);另一种是采用DPS(数字图像传感与处理系统)的技术方案,该方案中DPS可以对拍摄区域进行多次单独无损失采样,并直接输出数字信号,因此无需经过DSP对信号进行转换(以下称该类宽动态摄像机为DPS宽动态摄像机)。

    而在2008年中国国际社会公共安全产品展览会上,归属两种技术方案派系的厂家均各自推出了新的宽动态摄像机,松下将他们的第五代宽动态技术SD5作为主推产品,吸引了众多参观者的眼球,而Sony公司也推出了新的CCD和Dynaview+宽动态技术。新宽动态技术体验区已经成为此次安防展上的一大亮点。

1.CCD宽动态摄像机:深耕DSP求突破
    影响摄像机拍摄图像宽动态效果的最直接因素是图像传感器和数字信号处理器的性能,而目前在视频监控方面应用的主要为Sony及其它少数几家的CCD,这些不同厂家的CCD在基本性能上差距十分小,因此,各厂家如何针对性地开发DSP,提升DSP的性能成为提升宽动态摄像机性能的关键。

    而CCD宽动态摄像机到目前为止已经有10多年的发展历史,其技术方案已经十分成熟,因此在新型产品开发特别是在DSP开发方面会具备针对性,主要是针对以往的DSP不足之处进行完善与提升,通过提高DSP的处理能力与处理速度,可使单位时间内每个像素的曝光更为充分,以形成更宽动态、色彩还原更接近现实的图像。从目前的新产品来看,各主流厂家的宽动态摄像机基本上都具备120倍以上的动态范围、540线以上的水平清晰度,在色彩还原及色阶过渡方面更接近现实,光暗区域对比更为平衡。[nextpage]

    如Sony有限公司日前推出的宽动态机型SSC-DC670/DC690系列就针对清晰度、色彩还原、色阶过渡等方面作出了改善。索尼(中国)专业系统集团产品市场科产品经理文军介绍,该系列宽动态摄像机采用了Sony最新研发的Dynaview+技术,基于该技术的DSP在灵敏度方面有了比较大的提高(可达0.05Lux),这促使DSP的处理速度得到提高,因而在每个像素上的曝光变得更为充分。于是该系列产品的性能得到了比较大的提升,宽动态范围达到了128倍,具备540线的水平清晰度,光、暗区域图像较之以往的机型更为平衡,在色彩还原与色阶过渡方面更为自然且接近现实。

    上海乐金广电电子有限公司(LG)在宽动态摄像机开发方面同样采取加强DSP的方式,并于近期开发出拥有自主专利的3D-DNR数字信号处理器,针对以往的机型可能造成的色彩还原不真实、光暗区域显示不均衡、拍摄高速移动物体产生拖尾等情况进行了改进。据该公司安防开发室先任研究员文永介绍,该公司最新的宽动态摄像机为LS902P-B/LS092P-B1超宽动态日夜型摄像机,其技术方案是在图像采样时通过对画面划分为五个区域,再对五个区域的光值进行测算,并对光值测算结果进行平衡与综合,以通过五个区域的光值计算其均值峰值,使图像采集在光、暗部分更为接近。此外,该款DSP还可以根据不同时间内进入光圈的光线强弱进行判断,并实时自动调整曝光量,使拍摄出来的画面具备更大的宽动态范围,摄像机的灵敏度也显得更高,拍摄高速移动物体时不会产生拖尾现象,并且在色彩还原方面更接近现实,特别是在外景方面可以看得更清楚,克服了以往专注于看清楚内景而在外景方面的欠缺,使内外景可以均衡地显示,为安防监控中更好地发现不法分子的行动轨迹提供了方便。

    此外,通过多次曝光(如五次曝光)来增加暗区曝光量的技术在CCD宽动态摄像机的设计方面已经越来越得到厂家的重视,相比于以往的双倍速CCD和双快门技术,进行多次曝光采样形成的图像在光暗区域对比与过渡、色彩还原、色阶过渡等方面均表现优异,特别是暗区在增加曝光量之后形成的图像可以更为清晰。

    值得注意的是,目前摄像机业界在更高性能CCD的研发方面也出现了突破,Sony新推出了super HAD二代CCD,该CCD增强了摄像机针对单个像素进行采集的感光能力。普通CCD在每个像素点上只有一个聚光镜片,而super HAD二代CCD为了有效利用像素之间的间隙,提高像素点的感光能力,在每一个像素点上都有两片用作聚光的透镜,这两片透镜不但对像素进行采集,同时在像素与像素之间的间隙也进行放大,使单像素的感光面积增大30%,极大地增强了CCD整体的感光能力,暗景更具通透感,因此表现力也更强。相信该类CCD大量应用到安防之后,CCD宽动态摄像机的性能再次得到较大幅度提高将指日可待。

2.DPS宽动态摄像机:更高动态范围是永恒的追求
    DPS是基于CMOS的宽动态技术方案,由美国Pixim公司研发并推出其在宽动态摄像机方面的应用。与CCD不同,这是一种纯数字化的图像拾取系统,其本身就已经将图像传感器及图像信号处理器包含在同一芯片上。DPS的核心技术是在每一个拾取的像素上都包含一个数模转换器ADC,在捕捉到光信号时,直接转换为数字信号并将其放大,可最大限度地节省无效的传输操作,降低了噪音和衰减,保证了获取图像的高质量性,在输出后的图像无拖尾、垂直光斑和开花现象。DPS系统在整个图像的获取、传输和处理中,不论前端的拾取还是后端的处理完全以数字化的形式进行。

    因为通过DPS技术方案研发制造宽动态摄像机是池上公司在2005年10月才实现的,因此该技术方案目前尚不及CCD技术方案成熟,但是经过三年的发展,该项技术在宽动态摄像机的研发方面也实现了突破,特别是在宽动态范围方面,目前基于DPS技术方案的宽动态摄像机大多可实现95dB以上的宽动态范围,甚至部分机型的宽动态范围可达120dB。这引发国内外众多监控厂家如博世、Honeywell、GE、景阳等开始采用该技术方案来研发自身品牌的宽动态摄像机。[nextpage]

    如深圳市景阳数码技术有限公司就跟Pixim合作,并先后开发出数款DPS宽动态摄像机,其最新的SN-586C/B超宽动态日夜型高清晰度摄像机在动态范围、清晰度等方面较之以往机型有着比较大的突破。据该公司技术部工程师石胜奇介绍,因为DPS可以对每个像素进行多次单独无损失采样,并控制每个像素的最佳采样时间,从而使每个像素达到最佳状态时才存贮像素信息,因此获取的监控场景中光、暗区域的图像信息会更为详细,该款宽动态摄像机在宽动态范围可达120dB,形成的图像可以更容易分辨光、暗区域的物体。而在场景环境(如温度、光线)随时间延长而发生变化的时候,系统可重新对每个像素进行多次采样曝光,图像画面作相应的调整,最终保持画面的清晰。当长时间监视某一场景的时候,DSP技术摄像机会随时间、光线和温度的变化做出自动调整,使得图像的画面可以持续保持清晰。

    而上海慧友沅骅贸易有限公司以往致力于CCD宽动态摄像机的研发,目前也转向DPS宽动态摄像机的研发,并推出了EQ600系列宽动态摄像机。该公司北京分公司经理胡海表示,相较于CCD,DPS宽动态摄像机更容易实现动态范围的提升,部分DPS宽动态摄像机甚至可以达到160dB。安防业界希望在摄像机宽动态范围获得突破,DPS的技术方案是未来重要的发展方向。DPS可以在曝光周期内对进入每个像素的光线进行多次取样,并不仅仅记录每个像素的光线总量,也计算光线的变化速率,对每个像素光线的处理可以达到比CCD和CMOS更宽的动态范围,在光线变化很大的情况下具有更出色的图像效果,在色彩还原上具备更强的真实性。图像处理系统对每个像素持续地进行模数转化并以并行方式发送,整个图像处理过程全数字化,因此可提供很高的信噪比和精确再现原始的画面质量。

3.辅助性技术提升竞争力
    除了在技术方案上提升宽动态摄像机的性能外,一些辅助性的技术设计对宽动态摄像机的弥补也很关键,特别是在宽动态技术发展十多年并进入技术成熟期后,希望通过主要元器件的提升来达到整体宽动态效果的突破已经十分困难,因此,在各种辅助性的技术设计方面如何下苦功进行研究成为决定厂家宽动态摄像机产品先进与否的关键。

    慢速快门、帧积累、伽马曲线对形成的图像进行修正等方面的设计十分重要。Sony产品技术部工程师秦杰介绍,如何研发更适合黑暗环境下通过足够慢的快门以及帧积累来提高该区域的曝光量,需要厂家在技术方面十分精细的参数研究与设置。而Sony最新推出的Dynaview+宽动态技术,采取6种伽马曲线调整的方式,对暗区采样进行修正与调整。同时在光、暗区采样方面,可根据用户的意见进行参数的调整,决定是加强光亮区还是暗区为主的图像采集。

    此外,在运用强光抑制、自动增益、自动白平衡等增强型技术方面,亦是考验厂家细节的方面,目前大多厂家都在宽动态摄像机中加入了该类元素,使宽动态摄像机能够通过量的积累而提升更高的性能。如Sony就采用了聚光筒功能,可以使单像素的采光提高4倍;而LG则在自动白平衡的设计方面下功夫,使摄像机的色彩校正更符合现实。相信以后各厂家在这些辅助技术上的研究会更多,从而通过各个方面的提升来达到宽动态摄像机整体性能的大幅度完善。[nextpage]

功能整合突现未来发展方向
    在2008年中国国际社会公共安全产品展览会上,松下电器(中国)有限公司推出了最新的第五代宽动态技术SD5,该款宽动态摄像机除了在性能上取得部分提升外,其移动物体检测与智能跟踪,并对移动物体采取独立曝光的设计理念获得了众多安防业界人士的关注。该公司系统解决方案营销公司AV系统设备部AV设备课产品经理陈永介绍,该款宽动态摄像机除了在图像清晰度达到600线等性能的提升以外,最重要的是在宽动态摄像机里加入的智能化元素,使摄像机更为适合安防监控的需要。“安防监控应用宽动态摄像机的目的是什么?是为了看清楚需要看清楚的移动物体。因此,松下在第五代宽动态摄像机的设计中不但延继了以往智能化的设计如自动图像稳定、场景变化检测、智能跟踪等,更重要的是,我们在智能锁定、跟踪移动物体的基础上,通过三维立体的算法使移动物体的检测变得更为准确,并且针对安防的需要特别对移动物体进行了单独的曝光,使人们可以更清楚地辨认移动物体的生理特征。”

    众多业内人士认为,智能前端化的趋势越来越受到用户的关注,松下在宽动态摄像机里整合视频智能分析的做法值得借鉴,相信在未来会有更多的功能整合在摄像机里,使宽动态摄像机本身就成为一个可以独立处理监控事件的系统。

    此外,目前的宽动态摄像机中大多具备日夜转换的功能,在光照不足的情况通过彩转黑白来提升摄像机的光摄入量,以让“摄像机看得更清楚”。杰伟世贸易(上海)有限公司(JVC)北京分公司技术二课课长韩晓洲介绍,通过十多年的技术研发,宽动态摄像机要在性能上取得变革性的突破已经十分困难,目前考验厂家的是在一些细节方面的设计,以量的变化来使宽动态摄像机的性能得到提升。日夜型宽动态摄像机正是为了应对光线不足时摄像机无法正确判断快门速度而设计的,当摄像机处于黑白拍摄时,摄像机的快门速度可以更容易地进行判断,因此顺应了安防监控对这种情况下清晰地拍摄场景的需要。

    未来,将会有越来越多的功能整合在宽动态摄像机中,在宽动态摄像机中增加智能化、低照度等方面的功能将成为宽动态摄像机发展的一大趋势。

结语:宽动态摄像机未来将成标配
    在银行业、道路、停车场、大厦出入口、港口、海关等视频监控市场领域,光、暗区域形成强烈对比的情况下,宽动态摄像机的应用将越来越广。两种技术方面目前呈现出平行发展的态势也必将促使相关厂家继续加大力量进行技术、产品研发,使其更适应各种应用环境。而随着其技术越来越成熟,宽动态摄像机的应用也必将更为广阔,正如松下陈永所说,“未来,宽动态功能将成为视频监控的标准功能匹配。”

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