主頁(yè)（http://www.130131.com）：5種擴(kuò)展CMOS攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的比較及其測(cè)量方法 【中國(guó)集群通信網(wǎng)】由于電荷耦合器件CCD的特性所限，CCD攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍目前利用最好的5次取樣方式也只能做到66dB。而CMOS攝像機(jī)在這方面則占有優(yōu)勢(shì)，其一般的線性輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍就可達(dá)40~60dB;若采用線性-對(duì)數(shù)輸出模式，其動(dòng)態(tài)范圍就可高達(dá)120dB。本文就對(duì)CMOS進(jìn)行詳細(xì)介紹。引言 在安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景，從而使整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域曝光過(guò)度、較暗的區(qū)域欠曝光，不能看清楚圖像最亮與最暗部分。如在銀行儲(chǔ)蓄所、重要場(chǎng)所出入口等。因?yàn)閺拇巴馍淙氲膹?qiáng)光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對(duì)當(dāng)時(shí)室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時(shí)將反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景清晰地拍攝下來(lái)。所拍攝圖像會(huì)出現(xiàn)背景過(guò)亮、前景過(guò)暗，或背景清晰、前景過(guò)暗及前景適合、背景過(guò)亮的情況。最早的解決方法，一般會(huì)采用背光補(bǔ)償技術(shù)，或在室內(nèi)外放置兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)適應(yīng)較大的光線反差，但效果不是非常理想，因此誕生了寬動(dòng)態(tài)技術(shù)。 CMOS成像器件的動(dòng)態(tài)范圍，同CCD攝像器件一樣，都由它的信號(hào)處理能力和噪聲決定，它反映了成像器件的工作范圍。其數(shù)值也是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比(通常用dB表示)，即 動(dòng)態(tài)范圍 = USp-p /UNp-p (1) (1)式中，USp-p為輸出信號(hào)峰值電壓;UNP-P為噪聲的峰-峰值。 在安防監(jiān)控領(lǐng)域，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)，即WDR(Wide Dynamic Range)，是指攝像機(jī)同時(shí)可看清圖像最亮與最暗部分的照度比值。寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍表示攝像機(jī)對(duì)圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍，動(dòng)態(tài)范圍越大，圖像所表現(xiàn)的圖層就越豐富、清晰，圖像色彩空間就更廣，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)適應(yīng)逆光環(huán)境的能力也更大。 由于CCD寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP(數(shù)字信號(hào)處理)電路，對(duì)明亮部分進(jìn)行最合適的快門速度曝光，然后再對(duì)暗的部分用最合適的快門速度曝光，之后將兩個(gè)圖像進(jìn)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，但這需要較高的技術(shù)使色彩和清晰度損失最小。無(wú)論怎樣，經(jīng)過(guò)這樣處理后的圖像會(huì)失去其原有的色彩效果，這也是當(dāng)前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)面臨的最大問(wèn)題。然而，由于CCD的特性限制，即使采用多次曝光取樣方式，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍最大只能到66dB。 顯然，由于CCD感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS攝像機(jī)則可有突出的表現(xiàn)。它僅一般的線性輸出模式動(dòng)態(tài)范圍就可達(dá)40-60dB;若采用線性-對(duì)數(shù)輸出模式，其動(dòng)態(tài)范圍就可高達(dá)120dB。而線性-對(duì)數(shù)輸出模式的光電響應(yīng)，不僅擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還可防止圖像滯后與克服圖像的重影。目前，市場(chǎng)上已有Pixim公司推出的第3代CMOS-DPS圖像攝取系統(tǒng)。此系統(tǒng)可通過(guò)其超強(qiáng)的寬動(dòng)態(tài)功能來(lái)獲得高質(zhì)量的圖像，達(dá)到比CCD更真實(shí)、更清晰的圖像。在動(dòng)態(tài)范圍上，DPS采用的單一像素曝光和ARM7控制技術(shù)，相比CCD的兩次或多次曝光成像有更高的動(dòng)態(tài)范圍。從數(shù)值上來(lái)說(shuō)，采用DPS技術(shù)的攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般均可達(dá)95dB，最高可至120dB。擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍同時(shí)，DPS也解決CCD傳感器在處理動(dòng)態(tài)范圍和色彩真實(shí)性上的不足，其色彩還原性更加真實(shí)，完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。 CMOS攝像機(jī)幾種擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的原理與方法 由光電技術(shù)中光電成像器件知，CMOS成像器件可以有4種基本的輸出模式：即線性模式、雙斜率模式、對(duì)數(shù)特性模式、Y校正模式。這幾種模式的動(dòng)態(tài)范圍相差很大，因而采用不同輸出模式的CMOS攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍及其特性也有較大區(qū)別。下面就簡(jiǎn)介一下這幾種輸出模式。 1、線性輸出模式 線性輸出模式的輸出一般與光強(qiáng)成正比，如圖1中的曲線1所示。這種輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍最小，而且在線性范圍的最高端信噪比最大。在小信號(hào)時(shí)，因噪聲的影響增大，信噪比一般很低。但是，這種線性輸出模式的CMOS攝像機(jī)，適用于要求進(jìn)行連續(xù)測(cè)量的場(chǎng)合。
圖1 4種輸出模式曲線 2、雙斜率輸出模式 雙斜率的輸出模式，是一種擴(kuò)大攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的方法，如圖1中的曲線2所示。由圖1看出，它采用兩種曝光時(shí)間：當(dāng)信號(hào)很弱時(shí)，采用長(zhǎng)時(shí)間曝光，輸出信號(hào)曲線的斜率很大;當(dāng)信號(hào)很強(qiáng)后，改用短時(shí)間曝光，這時(shí)曲線斜率就會(huì)降低，從而可以擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。這就類似于CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)目前常采用的對(duì)最暗與最亮的雙曝光，即2次取樣方式。 顯然，為改善輸出的平滑性，還可采用多斜率的輸出模式，即多種曝光時(shí)間(類似CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的多次取樣方式)。輸出曲線可由多段直線擬合，顯然曲線會(huì)平滑得多，使輸出圖像的灰階層次等變得更好些。 3、對(duì)數(shù)輸出模式 對(duì)數(shù)輸出模式如圖1中的曲線3所示。采用這種輸出模式的CMOS攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍非常大，一般可達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使得無(wú)需對(duì)照相機(jī)或攝像機(jī)的曝光時(shí)間進(jìn)行控制，也無(wú)需對(duì)其鏡頭的光圈進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，在CMOS成像器件中，又可方便地設(shè)計(jì)出對(duì)數(shù)響應(yīng)電路，且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很容易。 值得說(shuō)明的是，由于人眼對(duì)光的響應(yīng)也接近對(duì)數(shù)規(guī)律，因而這種輸出模式具有良好的使用性能，在照相機(jī)等中常用。 4、γ校正模式 γ校正模式如圖1中的曲線4所示。它的輸出規(guī)律如下：U=KeγE (2) (2)式中，U為信號(hào)輸出電壓，E是輸入光強(qiáng)，K為常數(shù)，而γ便是校正因子，γ為小于1的系數(shù)。由式(2)可見(jiàn)，這種模式也使輸出信號(hào)的增長(zhǎng)速度逐漸減緩，因而也能擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍。 由上看出，CMOS攝像器件的4種輸出模式，除其輸出特性有較大區(qū)別外，動(dòng)態(tài)范圍相差很大。一般線性輸出模式動(dòng)態(tài)范圍只有40-60dB，其它輸出模式都較大。 5、線性-對(duì)數(shù)輸出模式 為更加擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還可以根據(jù)實(shí)際需要將兩種輸出模式進(jìn)行組合。如采用線性-對(duì)數(shù)(Lin-log)輸出模式，開(kāi)始時(shí)輸出隨圖像亮度正比例增加(線性響應(yīng))，當(dāng)亮度信號(hào)超過(guò)某給定閾值后，輸出成對(duì)數(shù)響應(yīng)，這樣的響應(yīng)模式使CMOS成像器件的動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)120dB。 線性-對(duì)數(shù)輸出模式的光電響應(yīng)，不僅擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，還可防止圖像滯后與克服圖像的重影。 CMOS-DPS攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的原理與方法 2005年10月，池上公司推出采用Pixim的DPS成像技術(shù)的超寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)ISD-A10，它的動(dòng)態(tài)范圍典型值為95dB(17782倍)，最大為120dB(31.6萬(wàn)倍)，并具有非常好的色彩還原和清晰度。DPS 成像技術(shù)標(biāo)志著寬動(dòng)態(tài)技術(shù)有了巨大的突破，使新一代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)已經(jīng)站在更高一層的起點(diǎn)上向前跨出了一大步。
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