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安防宽动态手艺之宽动态网络高清摄像机
阅读量： 揭晓时间：2018-10-15
摘要：在安防监控应用中 ， 经�；岱浩鹈靼捣床罱洗蠡蚰婀獾某【� ， 例如瞄准大门或窗户拍摄;由于整个图像中明亮的区域曝光太过 ，较暗的区域欠曝光 ， 从而不可看清晰图像最亮与最暗部分 ，即高亮的部分成像为白色 ，暗部泛起为玄色 。早期接纳背光赔偿手艺 ， 或爽性安排两台摄像机来顺应较大的光线反差 ， 但效果不是很是理想 ， 因此降生了宽动态手艺 ，较好地解决了这一问题 。
关于标准的CCD和CMOS图像传感器来说 ，所有感光单位的曝光(网络光子)时间都是相同的;在相同的时间内 ，感光单位对画面明亮部分网络的光子较多 ，对阴晦部分网络的光子则较少 。可是 ，感光单位能够网络的光子数目还受到阱容量(well capacity)的限制 ，以是捕获物体较亮色调的感光单位有可能会溢出或饱和;为避免泛起这种情形 ，可以镌汰曝光时间 。但若是这样做 ，捕获物体较暗色调的感光单位可能又无法网络到足够多的光 ，无法成像 。
即关于典范的单次曝光的图像传感器来说 ，若是曝光时间过长 ，则明亮部分的像素将泛起溢出 ，泛起白色;而若是降低曝光时间 ，则较暗部分的像素将由于没有足够的光 ，泛起玄色 。
以是摄像机的宽动态(WDR ，Wide Dynamic Range)能力关于视频监控来说是很是主要的指标之一 。摄像机的动态规模越大 ，则视频监控画面所泛起的细节就更富厚 ，色彩空间更广 ，逆光拍摄的能力就越强 。
宽动态能力一样平常用“动态规模”来表述 ，即亮度转变值的最低端极点到最高端极点之间的区域 。在量化形貌上 ，通常接纳视频帧中可识别的最亮亮度信号值与最暗亮度信号值的比值(×倍);可凭证换算公式：N dB=20log(亮度比值)将上述比值以分贝(dB)标示 。
宽动态手艺
背光/逆光赔偿
背光赔偿 ，也称为逆光赔偿 ，是早期应对强光或强逆光视频监控情形的要领 ，它的原理是：
在强光或强逆光等情形下 ，由于视场中包括一个很亮的区域 ，导致AGC检测到的信号电平并不低 ，因此放大器的增益很低 ，此时画面中希望拍摄的目的成像阴晦 ，无条理 。背光赔偿手艺是把画面分成几个差别的区域 ，摄像机凭证各个区域的平均信号电平来确定AGC电路增益;背光赔偿手艺提高AGC放大器的增益 ，使输出信号的幅值提高 ，从而使被拍摄目的的亮度提升 ，监控画面的可视性获得改善 。
由于逆光赔偿只是简朴提升了拍摄目的的亮度 ，没有现实拓展动态规模 ，以是改善效果有限;对亮区很容易过曝 ，整体图像质量和色彩还原等都会有一定的下降 。
二次/多次曝光手艺
古板的CCD/CMOS图像传感器在收罗一幅图像的历程中只对整个图像采样一次 ，这样图像中凌驾动态规模之外的明亮、较暗区域就会泛起太过曝光 ，欠曝光的征象 。
二次/多次曝光手艺中图像传感器对场景举行二次或多次曝光 ，每次曝光的时间长度差别;然后用图像合成算法对差别曝光的画面举行处置惩罚和重新组合 ，这样就能同时兼顾画面中明亮、较暗区域 ，使明亮的部分和暗的部分可以看得清晰;该功效在图像传感器动态规模性能没有提升的情形下 ，将摄像机的有用动态规模举行了扩展 。
由于CCD 图像传感器读取速率的限制 ， 纵然接纳二次曝光取样方法 ， 摄像机的宽动态规模最大只能到72dB 。而目今接纳CMOS图像传感器的摄像机接纳二次曝光手艺已经可以抵达90dB以上的动态规模 。
但二次/多次曝光手艺也有其显着的局限性——动态物体拍摄 。以二次曝光为例 ，关于在画面中以较高速率运动的物体 ，短曝光和长曝光拍摄到的物**于画面的差别位置 ，算法怎样将差别位置的物体整合为一个成为难题 。以是 ，接纳多次曝光手艺的宽动态摄像机一样平常只能用于目的工具运动速率较慢的监控场景中;若是画面中有较快运动的目的 ，则会因泛起鬼影等问题导致场景严重失真 。
Pixim公司的DPS (数字像素传感器) 手艺
美国Pixim公司在本世纪初研发了一种基于CMOS手艺的新型的图像收罗系统——DPS(数字像素传感器);DPS手艺同时提升了一幅图像中高亮和较暗区域的影像拍摄效果;可以在图像传感器上直接获得远高于通俗CCD/CMOS的动态规模;DPS手艺的泛起是一项划时代的成绩 。
古板的CCD 和CMOS摄像机传感器都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 ，要排队进入A/D转换器后才华转换为数字信号;保存着噪声大和输出时间长等弱点 。DPS图像传感器是在图像传感器的每一个像素点上包括了一个10位A/D转换器 ，即在有源像素捕获到光信号时 ，直接将其放大并转换为数字信号 ， 从而最洪流平地降低了图像信号的衰减和滋扰 ，可以大幅度提高信噪比 。
别的 ，DPS图像传感器接纳了ARM CPU准确控制每个像素 ，可实现每个像素单独采样和曝光 ，即可凭证实暗水平 ，控制每个像素点的曝光时间;从数值上来说 ，接纳DPS手艺的CMOS摄像无邪态规模可至120dB或更高;并且在获得超高动态规模的同时 ，DPS手艺不但解决了背光赔偿在图像质量和色彩还原上的缺乏 ，更解决了二次/多次曝光所带来的虚影问题 。
由于DPS是基于每个像素单独处置惩罚的手艺 ，每个像素都包括一套完整的处置惩罚电路 ，该处置惩罚电路将挤占像素的感光面积;尤其是10多年前芯片加工工艺还处于微米级 ，处置惩罚电路的面积严重影响了像素的感光量;其效果是基于DPS手艺的图像传感器 ，迅速度有显着下降;且难以实现更高的区分率;这些都限制了DPS手艺的进一步生长 。
并行双增益列放大器手艺
在2012年就有企业推出了接纳并行双增益列放大器手艺的200万像素星光级图像传感器;该图像传感器接纳6.5um像素 ，读取噪声低至1.2个电子;更集成了4096个高倍/低倍放大器 ，每个像素的有用数据抵达16位 ，单次曝光即可实现90dB以上的动态规模 。
并行双增益列放大器手艺可以看作是在目今芯片制造工艺下对DPS手艺的改良——相关于CCD/CMOS整个图像传感器只有一个或数个高倍放大器的方法 ，该星光级图像传感器拥有4096个高倍/低倍放大器 ，大大扩展了动态规模 。但相关于DPS为每个像素都设置一个A/D转换器的方法 ，此星光级图像传感器所拥有的4096个高倍/低倍放大器电路对像素有用感光面积的影响很是小 ，从而不会影响传感器的迅速度 。
从多次实测的效果看 ，接纳该手艺的星光高清网络摄像机具有优异的宽动态体现;尤其是在背光、夜间车灯等宽动态情形下能精彩地还要运动物体的图像 ，没有拖影等征象 ，给车辆、职员等目的的细节识别带来便当 。
未来的生长
据悉 ，已有公司正在研制基于并行三增益列放大器手艺的星光二代传感器;该传感器的单次曝光动态规模从90dB提升为120dB ，可见未来宽动态领域的应用将会越来越强 。
同时 ，陪同图像传感器芯片制造工艺精度的一直提升 ，DPS图像传感器每个像素中由于包括许多个晶体管而带来的有用感光面积过小的误差将被逐步战胜;该手艺在超宽动态和超低噪声方面的优势将被带入到高清时代 ，其与“人眼一大脑”系统相同的事情模式将引领视频监控图像传感器进入到智能图像处置惩罚时代——人眼和大脑在对图像举行处置惩罚和运算的同时 ， 一直向人眼(图像传感器)下达指令 ，不但调解曝光时间 ， 并且实时改变图像捕获算法 ，获得更详尽完整和真实的图像细节 ，从而获得最佳的图像效果 。
