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5种扩展CMOS摄像机动态范围的比较及其测量方法

由于电荷耦合器件CCD的特性所限,CCD摄像机的宽动态范围目前利用最好的5次取样方式也只能做到66dB。而CMOS摄像机在这方面则占有优势,其一般的线性输出模式的动态范围就可达40~60dB;若采用线性-对数输出模式,其动态范围就可高达120dB。
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【安防知识网】由于电荷耦合器件CCD的特性所限,CCD摄像机的宽动态范围目前利用最好的5次取样方式也只能做到66dB。而CMOS摄像机在这方面则占有优势,其一般的线性输出模式的动态范围就可达40~60dB;若采用线性-对数输出模式,其动态范围就可高达120dB。本文就对CMOS进行详细介绍。

  引言

  在安防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,从而使整个图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域欠曝光,不能看清楚图像最亮与最暗部分。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,不能同时将反差很大的室内外场景清晰地拍摄下来。所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。最早的解决方法,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,但效果不是非常理想,因此诞生了宽动态技术。

  CMOS成像器件的动态范围,同CCD摄像器件一样,都由它的信号处理能力和噪声决定,它反映了成像器件的工作范围。其数值也是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比(通常用dB表示),即

  动态范围 = USp-p /UNp-p (1)

  (1)式中,USp-p为输出信号峰值电压;UNP-P为噪声的峰-峰值。

  在安防监控领域,摄像机的宽动态,即WDR(Wide Dynamic Range),是指摄像机同时可看清图像最亮与最暗部分的照度比值。宽动态摄像机动态范围表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮”的调整范围,动态范围越大,图像所表现的图层就越丰富、清晰,图像色彩空间就更广,宽动态摄像机适应逆光环境的能力也更大。

  由于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,但这需要较高的技术使色彩和清晰度损失最小。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的特性限制,即使采用多次曝光取样方式,摄像机的宽动态范围最大只能到66dB。

  显然,由于CCD感光特性限制,在技术上很难再有重大突破,而CMOS摄像机则可有突出的表现。它仅一般的线性输出模式动态范围就可达40-60dB;若采用线性-对数输出模式,其动态范围就可高达120dB。而线性-对数输出模式的光电响应,不仅扩大动态范围,还可防止图像滞后与克服图像的重影。目前,市场上已有Pixim公司推出的第3代CMOS-DPS图像摄取系统。此系统可通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像,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CCD的两次或多次曝光成像有更高的动态范围。从数值上来说,采用DPS技术的摄像机的动态范围一般均可达95dB,最高可至120dB。扩大动态范围同时,DPS也解决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。

  CMOS摄像机几种扩展动态范围的原理与方法

  由光电技术中光电成像器件知,CMOS成像器件可以有4种基本的输出模式:即线性模式、双斜率模式、对数特性模式、Y校正模式。这几种模式的动态范围相差很大,因而采用不同输出模式的CMOS摄像机的宽动态范围及其特性也有较大区别。下面就简介一下这几种输出模式。

  1、线性输出模式

  线性输出模式的输出一般与光强成正比,如图1中的曲线1所示。这种输出模式的动态范围最小,而且在线性范围的最高端信噪比最大。在小信号时,因噪声的影响增大,信噪比一般很低。但是,这种线性输出模式的CMOS摄像机,适用于要求进行连续测量的场合。[nextpage]

图1  4种输出模式曲线

  2、双斜率输出模式

  双斜率的输出模式,是一种扩大摄像机动态范围的方法,如图1中的曲线2所示。由图1看出,它采用两种曝光时间:当信号很弱时,采用长时间曝光,输出信号曲线的斜率很大;当信号很强后,改用短时间曝光,这时曲线斜率就会降低,从而可以扩大动态范围。这就类似于CCD宽动态摄像机目前常采用的对最暗与最亮的双曝光,即2次取样方式。

  显然,为改善输出的平滑性,还可采用多斜率的输出模式,即多种曝光时间(类似CCD宽动态摄像机的多次取样方式)。输出曲线可由多段直线拟合,显然曲线会平滑得多,使输出图像的灰阶层次等变得更好些。

  3、对数输出模式

  对数输出模式如图1中的曲线3所示。采用这种输出模式的CMOS摄像机的动态范围非常大,一般可达到几个数量级,使得无需对照相机或摄像机的曝光时间进行控制,也无需对其镜头的光圈进行调节。此外,在CMOS成像器件中,又可方便地设计出对数响应电路,且实现起来也很容易。

  值得说明的是,由于人眼对光的响应也接近对数规律,因而这种输出模式具有良好的使用性能,在照相机等中常用。

  4、γ校正模式

  γ校正模式如图1中的曲线4所示。它的输出规律如下:U=KeγE (2)

  (2)式中,U为信号输出电压,E是输入光强,K为常数,而γ便是校正因子,γ为小于1的系数。由式(2)可见,这种模式也使输出信号的增长速度逐渐减缓,因而也能扩大动态范围。

  由上看出,CMOS摄像器件的4种输出模式,除其输出特性有较大区别外,动态范围相差很大。一般线性输出模式动态范围只有40-60dB,其它输出模式都较大。

  5、线性-对数输出模式

  为更加扩大动态范围,还可以根据实际需要将两种输出模式进行组合。如采用线性-对数(Lin-log)输出模式,开始时输出随图像亮度正比例增加(线性响应),当亮度信号超过某给定阈值后,输出成对数响应,这样的响应模式使CMOS成像器件的动态范围可高达120dB。

  线性-对数输出模式的光电响应,不仅扩大了动态范围,还可防止图像滞后与克服图像的重影。[nextpage]

  CMOS-DPS摄像机扩展动态范围的原理与方法

  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,它的动态范围典型值为95dB(17782倍),最大为120dB(31.6万倍),并具有非常好的色彩还原和清晰度。DPS 成像技术标志着宽动态技术有了巨大的突破,使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了一大步。

  所谓DPS(Digital Pixel System),即数字像素系统,CMOS-DPS摄像机就是有数字像素系统的摄像机。传统CCD和CMOS摄像机传感器是为每一列或每一行像素点配备一个模数转换器(A/D),每个像素点的输出都是模拟光信号,存在噪声大和输出时间长等缺点。而DPS是在图像传感器的每个像素点上包含一个10位A/D转换器,即在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,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方法。一旦数据以数字格式捕获,可采用各种数字信号处理技术来真实重现图像。显然,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ARM CPU精确控制每个像素,使每个像素独立完成采样和曝光,并直接转换为数字信号,是目前市面上唯一、真正的全数字图像处理系统。

  CMOS-DPS的单个像素的组成,如图2所示。由图2可知,该器件的单个像素,由APS像素单元、模拟数字转换(A/D)、数字存储器和相关双取样(CDS)电路等组成。CMOS-DPS的工作原理,不像CMOS-PPS和CMOS-APS的A/D转换是在像素外进行,而是将A/D转换集成在每一个像素单元里,使每一像素单元输出的是数字信号,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,再送到系统的DSP对其进行处理,以最终形成高质量的图像。因此,这种CMOS摄像系统克服了原来CMOS摄像机的缺点,而优于CCD摄像机。

图2  CMOS-DPS单个像素的组成

  CMOS-DPS技术标志着摄像技术上的一个根本突破,以CCD为主流技术的摄像机必将受到DPS技术的巨大冲击。因为在DPS技术中,“每个像素都是一部摄像机(Every pixel is a camera)”,在一幅图像中,曝光像素有数十万个,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。因此,在DPS技术中,每个像素对应的光线都可被优化曝光,最终形成高质量的图像。

  目前,CCD宽动态摄像机最好的扩展动态范围方式是5次取样方式。而CMOS-DPS摄像机是每个像素取样,它可使每个像素的曝光时间不同,从而使同一画面不同部分的曝光时间不尽相同。因此,整幅图像的任意点,都可达到最佳图像显示的状态,得到清晰的图像细节,更加接近真实场景的色彩还原。因此,CMOS-DPS摄像机的动态范围自然要比CCD宽动态摄像机宽得多。

  CMOS-DPS摄像机采用与“人眼-大脑”系统相同的工作模式,使图像传感器和图像处理器具有双向实时互动性。DPS摄像机图像的摄取和处理过程,类似人眼和大脑的关系,在对图像进行处理和运算的同时,不断向图像传感器下达指令,不仅调整曝光时间,且改变实际的图像捕捉算法,实现智能化图像处理功能。在特定的图像特征和光照下,DPS摄像机最终能提供更详尽、完整和真实的图像细节,从而获得最佳的图像效果。

  CMOS-DPS摄像机除与CCD摄像机有相同的高清晰度外,在色度、白平衡、轮廓补偿、垂直光斑等方面都充分体现其出类拔萃的特色。用自身OSD可设置多项功能和调整多项参数以确保多种场合下的监控需求。

  由于CMOS-DPS的特有结构是CCD无论如何都做不到的(CCD一个像素上不可能集成这些),再加上CMOS成像器件具有的高速数字读出、无列读出噪声或固定图形噪声、工作速度更快、功耗更低的优点,使它能更方便地实现网络化与智能化。[nextpage]

  几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较

表1  几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较

  上述几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较如表1所示。

  由表1可知,CMOS摄像机动态范围以线性-对数输出模式与CMOS-DPS数字像素式为最大,其图像灰度层次丰富、色彩真实、质量品质高。尤其CMOS-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。它在扩大动态范围的同时,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,因而完全能够满足不同条件下不同用户的要求。

  以线性-对数输出模式的CMOS摄像机与更便于网络化智能化的CMOS-DPS纯数字摄像机,均将是今后CMOS摄像机扩展动态范围的发展方向,尤其是后者。

  动态范围的测量方法

  确定摄像机成像器动态范围的方法主要有两种:一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息计算得出;另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像,并测量影像级别。尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值,但通常倾向使用测量的方法,因它能反映用户对摄像机成像效果的实际体验。

  日本电子资讯技术产业协会 (JEITA)的测量方法

  是否能够准确确定动态范围,一个重要的限制因素是灰阶测试卡是否能够有效测出动态范围的全部取值。比如图3 所示的 Kodak Q-14 测试卡,相邻灰阶格的刻度差是 1/3 光圈级数(f-stop),最多只能测量出 5.66 档或大约 34 分贝的动态范围。

图3  Kodak Q-14 灰阶测试卡

  使用 JEITA 方法测量动态范围和动态范围扩展比率时,灰阶测试卡的 gamma值指定为 2.2,总共有十个灰阶级别,能够测出的动态范围与 Q-14 灰阶测试卡基本相同。按照这种方法的规格说明书所述,将两张灰阶测试卡并排放置,二者中间以屏幕相隔。再用两台不同的照明光源分别照射屏幕两侧的测试卡,如图4所示。

图4  JEITA 动态范围扩展比率测量装置

  JEITA方法中规定,对测试卡较亮端不断增加照明强度或增大光圈,直到刚好可区分出最亮的两个灰阶级别,然后对测试卡较暗一端不断减小照明强度直到最亮的灰阶级别(白色)达到50IRE。用公式计算动态范围的扩展比率(单位为分贝)。[nextpage]

  动态范围扩展比率(dB)=20 log (L3 / L4) (3)

  这种方法虽算出动态范围扩展值,但完全忽略了成像器捕捉中间色调的能力。JEITA方法并没有克服两次曝光CCD传感器的主要缺陷,因该方法只关注于对较高和较低色调范围以内的不同灰阶值的区分。

  JEITA方法的缺陷是:所有的测试装置都无明确指定;没有指明怎样放置照明设备,使用何种类型的光线,甚至没有说明如何准确衡量照明强度。这意味着,实验装置和测量条件的变化都会影响最终的测量结果。值得注意的是,JEITA方法测量的是动态范围扩展值,而不是总体的测量范围,因为该方法并未指明如何确定基准动态范围或总体动态范围。

  Pixim 的动态范围测量方法

  为消除上面的缺陷,让测量实验具有可重复性,使得在测量过程中可对所有色调级别同时进行观察和比较,Pixim使用一套定制的仪器装置来测量动态范围。该套装置包含一个灯箱,它使用 700 瓦的白炽灯光对透光步进卡进行背光投射。测量使用的步进式光楔均由 Sine Patterns LLC 公司生产,两个光楔重叠在一起最高可测量ND 值为 0.1到 6.1或大约 120 分贝的密度范围。

  要在监视器或打印文档中准确显示很宽的动态场景并不易,但图5显示Pixim Digital Pixel System技术良好地捕捉到超宽动态图像。

图5  使用 Pixim's Digital Pixel System 技术拍摄的超宽动态范围场景

  图6显示了使用两次曝光方法的 CCD摄像机机拍摄的同一图片。请注意,尽管该相机自称具有很高的动态范围,我们还是可以从图片中场景高亮部分的晕光现象和中间色调的串色现象看出其明显的局限性。另外,就对中间色调的响应来说,该相机的响应过于平乏,与 Pixim 相机单调分明的响应相比,谁优谁劣一看便知。

图6  用两次曝光 CCD 传感器拍摄的同一图片

  影响图像传感器对灰阶响应的相同因素也会影响传感器在实际场景中拍摄色彩细节的精准度。这一点可从图7的对比中得到印证。图7表示使用两次曝光技术扩展动态范围的Panasonic的CCD宽动态摄像机与CMOS-DPS摄像机拍摄图像的对比。显然,CCD宽动态摄像机所摄画面苍白,其色彩精准度和图像质量大打折扣。

图7  采用两次曝光技术的 CCD 摄像机与CMOS-DPS摄像机拍摄图像对比

  结语

  由上看出,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摄像机。

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