浅谈模拟摄像机的DSP和WDR - 安防知识网

DSP是摄像机主要的元器件，且DSP摄像机的宽动态应用越来越广，那么DSP技术和DSP摄像机功能都有何特点呢？针对这些疑问本文作出了深入的探讨和分析，为大家详细的介绍了DSP摄像机的优点、它的各种主要功能以及它未来的技术展望。

随着DSP(Digital Signal Processing数字信号处理器)的广泛应用及快速发展，为数字信息产品带来了广阔的发展空间，并将支持通信、计算机和消费类电子产品的数字化融合。在无线领域，DSP遍及无线交换设备、基站、手持终端和网络领域，并涵盖从骨干基础设施到宽带入户的设备，包括VoIP网关、IP电话、DSL和Cable Modem等；面向群体应用，DSP在媒体网关、视频监控、专业音响、数字广播、激光打印等应用中表现出色；面向个人应用，DSP在便携式数字音频和影像播放器、指纹识别和语音识别等应用中表现不俗；针对嵌入式数字控制应用，DSP极大地满足了工业界的需求，如数字变频电力电源设备、工业缝纫机等；DSP也极大地满足了消费电子的需求，如空调、冰箱、洗衣机等。

DSP摄像机的优点
1978年由AMI公司发布世界第一个DSP芯片S2881，到80年代由美国德州仪器公司推出TMS系列，至90年代DSP芯片突飞猛进，并在CCTV行业被大规模使用。采用DSP处理器的摄像机有以下的优点：

1、由于采用数字检测和数字运算技术而具有智能背景光补偿功能。传统摄像机要求被摄景物置于画面中央并要占据较大的面积方能有较好的背景光补偿效果，否则过亮的背景光可能会降低图像中心的透明度。而DSP摄像机将一个画面划分成48个小区域来有效检测目标，这样即使是很小的、或不在画面中心的景物均能清楚地呈现。

２、由于DSP技术能自动跟踪白平衡，即可以检测和跟踪“白色”，并以数字处理功能再现原始色彩。传统的摄像机因系对画面的全部色彩作平均处理，这样如果彩色物体在画面上占据很大面积，那么彩色重现将不平衡，也就是不能重现原始色彩。DSP摄像机是将一个画面分成48个小处理区域，这样就能够有效地检测白色，即使画面上只有很小的一块白色，摄像机也能跟踪它而再现出原始的色彩。

利用DSP，摄像机技术的突破
1、570电视线水平清晰度
采用12位数字处理（目前大多品牌采用10位）和独有处理单元,彩色模式下水平清晰度540电视线，黑白模式下570 电视线，如图1。

2、色彩还原：独有的色彩还原机制
采用色序矩阵结构能够获得现场色温变化、并能在不同照度环境下还原真实的色彩。

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3、自动白平衡AWB(Auto White Balance)
可以在不同的色温环境下还原真实的色彩。人的眼睛观察到的不同光线有着不同的色温。人的眼睛可以随着环境的不同，区分什么颜色是“白色”。然而，摄像机并没有这个能力。数码相机需要一个参考点来定义“白色”，当这个参考点决定后，摄像机便能计算出其他颜色。采用DSP后，色温的范围更加广（1700°K—11000°K），而普通摄像机的色温只有（2500°K—9000°K），如图2所示。

4、背光补偿BLC(Backlight Compensation)
通常，普通摄像机的AGC工作点是通过对整个视场的内容作平均来确定的，但如果视场中包含一个很亮的背景区和一个很暗的前景目标，则此时确定的AGC工作点有可能对于前景目标是不够合适的，而背光补偿功能有可能改善前景目标显示状况。背光补偿方式有两种，第一，将全部图像区域亮度增强，使得前景区域可以被观察到（BLC功能）。第二，仅对前景进行亮度控制，背景的亮度保持不变。

5、自动增益控制AGC(Auto Gain Control)
所有的摄像机都有一个将来自CCD的信号放大到可以使用的视频放大器，其放大即有增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在强光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄像机的自动增益控制（AGC）电路去探测视频信号的电平，适时的开启和关闭AGC，从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作，即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。

6、3D数码低照度降噪3D-DNR (3Dimension-Digital Noise Reduction)
3D-DNR噪声抑制滤波器能够有效消除噪声与提升图像质量。能通过32dB的AGC，使获得更清晰的图像（3D：水平X＋垂直Y+时间T），如图3所示。

7、无缝自动曝光AE（Auto-Exposure）
自动适应亮度变化控制的自动曝光机制，可以将高亮的物体变黑，并使暗的物体变亮。

8、数码慢快门DSS（Digital Slow shutter）
数码慢快门又叫帧累积技术，在信号处理时，将多帧图像累积为一帧再进行输出，用以改善在照度很低的情况下，提升拍摄图像的亮度，从而提升对物体的识别能力。

9、超强光抑制HSBLC(Highlight Suppress Back Light Compensation)
通过DSS技术，3D—DNR技术，AGC控制机制，在低照度环境下不仅能使画面变得更亮，并能优化移动物体，降低噪声，能够完美应用于低照度下的监控（如图4所示）。将输入信号放大并自动减少低照度下的噪声后,使摄像机通过更低的快门速度充分曝光并通过累积帧亮度信号的方式使图像更清晰。

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10、宽动态WDR（Wide Dynamic Range）
宽动态（Wide Dynamic Range），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。宽动态技术是摄像机一直追求的目标。

原理：原图像的主体很暗，而后景较亮但也不甚清楚的状态下，通过高速快门与低速快门曝光、底纹修正、内部控制及勾边处理，输出较清晰的WDR图像。（宽动态技术原理如图5所示）。

宽动态的基本功能是在同一时间内，以不同的曝光速度捕捉到两幅清晰区域不同的图像，在这两幅图像中消除其中较差的像素，保留优质的像素，再将两者合成在一起。采用这种宽动态技术原理的摄像机种类有：双倍速CCD传感器加上DSP芯片，和普通的CCD加上双快门。当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。

技术展望
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，摄像机宽动态范围最大仅能到60dB，在技术上很难再有重大突破。

而由美国Pixim公司推出的基于CMOS的DPS技术，已经能使宽动态范围达到120dB（松下第二代宽动态摄像机动态范围80倍即48dB，第三代160倍即54dB）。在动态范围上，DPS技术采用单一像素曝光和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客户的要求。使用这种技术的摄像机在数字图像传感器里每一个像素中都使用了一个模拟数字转换器（ADC），在捕捉到光信号时直接转化为数字信号，最大程度上降低了信号在排列中的衰减和干扰。

需要提出的是，虽然宽动态摄像机的出现弥补了普通摄像机在光线落中的缺点，但也存在不足。动态范围和灵敏度是两个矛盾因素，通常动态范围大的摄像机其灵敏度较低，而高灵敏度的摄像机动态范围相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下的使用状况并不是太好。这也是目前各生产宽动态摄像机厂家迫切要解决的技术问题。但随着技术的不断提升，这个困扰厂家的问题也将会迎刃而解。