主頁（http://www.130131.com）：5種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的比較及其測量方法(2) 所謂DPS(Digital Pixel System)，即數(shù)字像素系統(tǒng)，CMOS-DPS攝像機就是有數(shù)字像素系統(tǒng)的攝像機。傳統(tǒng)CCD和CMOS攝像機傳感器是為每一列或每一行像素點配備一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，每個像素點的輸出都是模擬光信號，存在噪聲大和輸出時間長等缺點。而DPS是在圖像傳感器的每個像素點上包含一個10位A/D轉(zhuǎn)換器，即在CMOS攝像機圖像傳感器上的有源像素捕捉到光信號時，直接將其放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，可將陣列上的信號退化和串擾降到最小，并允許采用更好的降噪方法。一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字格式捕獲，可采用各種數(shù)字信號處理技術(shù)來真實重現(xiàn)圖像。顯然，DPS技術(shù)中的圖像傳感器和圖像處理器是全數(shù)字式的，并采用32位ARM CPU精確控制每個像素，使每個像素獨立完成采樣和曝光，并直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，是目前市面上唯一、真正的全數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。 CMOS-DPS的單個像素的組成，如圖2所示。由圖2可知，該器件的單個像素，由APS像素單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(A/D)、數(shù)字存儲器和相關(guān)雙取樣(CDS)電路等組成。CMOS-DPS的工作原理，不像CMOS-PPS和CMOS-APS的A/D轉(zhuǎn)換是在像素外進行，而是將A/D轉(zhuǎn)換集成在每一個像素單元里，使每一像素單元輸出的是數(shù)字信號，而成像系統(tǒng)控制著每個像素的最佳采樣時間，在每個像素達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息。在所有像素被采集后，再送到系統(tǒng)的DSP對其進行處理，以最終形成高質(zhì)量的圖像。因此，這種CMOS攝像系統(tǒng)克服了原來CMOS攝像機的缺點，而優(yōu)于CCD攝像機。
圖2 CMOS-DPS單個像素的組成 CMOS-DPS技術(shù)標志著攝像技術(shù)上的一個根本突破，以CCD為主流技術(shù)的攝像機必將受到DPS技術(shù)的巨大沖擊。因為在DPS技術(shù)中，“每個像素都是一部攝像機(Every pixel is a camera)”，在一幅圖像中，曝光像素有數(shù)十萬個，即使在最苛刻的光照條件下，也可捕捉到清晰、逼真的圖像，再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。因此，在DPS技術(shù)中，每個像素對應(yīng)的光線都可被優(yōu)化曝光，最終形成高質(zhì)量的圖像。 目前，CCD寬動態(tài)攝像機最好的擴展動態(tài)范圍方式是5次取樣方式。而CMOS-DPS攝像機是每個像素取樣，它可使每個像素的曝光時間不同，從而使同一畫面不同部分的曝光時間不盡相同。因此，整幅圖像的任意點，都可達到最佳圖像顯示的狀態(tài)，得到清晰的圖像細節(jié)，更加接近真實場景的色彩還原。因此，CMOS-DPS攝像機的動態(tài)范圍自然要比CCD寬動態(tài)攝像機寬得多。 CMOS-DPS攝像機采用與“人眼-大腦”系統(tǒng)相同的工作模式，使圖像傳感器和圖像處理器具有雙向?qū)崟r互動性。DPS攝像機圖像的攝取和處理過程，類似人眼和大腦的關(guān)系，在對圖像進行處理和運算的同時，不斷向圖像傳感器下達指令，不僅調(diào)整曝光時間，且改變實際的圖像捕捉算法，實現(xiàn)智能化圖像處理功能。在特定的圖像特征和光照下，DPS攝像機最終能提供更詳盡、完整和真實的圖像細節(jié)，從而獲得最佳的圖像效果。 CMOS-DPS攝像機除與CCD攝像機有相同的高清晰度外，在色度、白平衡、輪廓補償、垂直光斑等方面都充分體現(xiàn)其出類拔萃的特色。用自身OSD可設(shè)置多項功能和調(diào)整多項參數(shù)以確保多種場合下的監(jiān)控需求。 由于CMOS-DPS的特有結(jié)構(gòu)是CCD無論如何都做不到的(CCD一個像素上不可能集成這些)，再加上CMOS成像器件具有的高速數(shù)字讀出、無列讀出噪聲或固定圖形噪聲、工作速度更快、功耗更低的優(yōu)點，使它能更方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與智能化。 幾種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的性能比較
表1 幾種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的性能比較 上述幾種擴展CMOS攝像機動態(tài)范圍的性能比較如表1所示。 由表1可知，CMOS攝像機動態(tài)范圍以線性-對數(shù)輸出模式與CMOS-DPS數(shù)字像素式為最大，其圖像灰度層次豐富、色彩真實、質(zhì)量品質(zhì)高。尤其CMOS-DPS圖像傳感器在每一個像素上將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使得每一個像素有獨立的和最優(yōu)化的曝光時間來產(chǎn)生高品質(zhì)、高顏色精度的圖像。它在擴大動態(tài)范圍的同時，也解決了CCD傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，因而完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。 以線性-對數(shù)輸出模式的CMOS攝像機與更便于網(wǎng)絡(luò)化智能化的CMOS-DPS純數(shù)字攝像機，均將是今后CMOS攝像機擴展動態(tài)范圍的發(fā)展方向，尤其是后者。 動態(tài)范圍的測量方法 確定攝像機成像器動態(tài)范圍的方法主要有兩種：一種是使用傳感器和圖像處理器中基本電路的相關(guān)信息計算得出;另一種是使用灰階測試卡和實驗儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級別。盡管采用計算的方法可在理論上算出動態(tài)范圍的極限值，但通常傾向使用測量的方法，因它能反映用戶對攝像機成像效果的實際體驗。 日本電子資訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會 (JEITA)的測量方法 是否能夠準確確定動態(tài)范圍，一個重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動態(tài)范圍的全部取值。比如圖3 所示的 Kodak Q-14 測試卡，相鄰灰階格的刻度差是 1/3 光圈級數(shù)(f-stop)，最多只能測量出 5.66 檔或大約 34 分貝的動態(tài)范圍。
圖3 Kodak Q-14 灰階測試卡 使用 JEITA 方法測量動態(tài)范圍和動態(tài)范圍擴展比率時，灰階測試卡的 gamma值指定為 2.2，總共有十個灰階級別，能夠測出的動態(tài)范圍與 Q-14 灰階測試卡基本相同。按照這種方法的規(guī)格說明書所述，將兩張灰階測試卡并排放置，二者中間以屏幕相隔。再用兩臺不同的照明光源分別照射屏幕兩側(cè)的測試卡，如圖4所示。
圖4 JEITA 動態(tài)范圍擴展比率測量裝置 JEITA方法中規(guī)定，對測試卡較亮端不斷增加照明強度或增大光圈，直到剛好可區(qū)分出最亮的兩個灰階級別，然后對測試卡較暗一端不斷減小照明強度直到最亮的灰階級別(白色)達到50IRE。用公式計算動態(tài)范圍的擴展比率(單位為分貝)。
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