DPS寬動態(tài)技術的應用及探究

在攝像機發(fā)展的歲月里，從最初的真空管攝像機發(fā)展到現(xiàn)在的CCD、CMOS、DPS攝像機，隨著攝像機應用的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種專用的攝像技術，寬動態(tài)技術便是其中之一。對于一些明暗反差強烈的特殊環(huán)境，普通攝像機針對圖像的最“暗”與最“亮”部分的平衡調(diào)整能力非常有限，這時DPS寬動態(tài)技術便能發(fā)揮其突出的作用。
　　DPS寬動態(tài)技術
　　在逆光情況下，一般都采用超寬動態(tài)攝像機，超寬動態(tài)攝像機的動態(tài)范圍表示攝像機對圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍，動態(tài)范圍越大圖像所表現(xiàn)的圖層就越豐富、清晰，當然圖像的色彩空間就更廣，也就是超寬動態(tài)攝像機適應逆光環(huán)境的能力也更大。
　　傳統(tǒng)CCD攝像機在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，因此必然會出現(xiàn)對整個圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。
　　盡管寬動態(tài)CCD攝像機與傳統(tǒng)CCD攝像機相比，在技術上有了一次次突破，現(xiàn)在已發(fā)展到第三代CCD寬動態(tài)攝像機，寬動態(tài)范圍也達到了160倍，或說54dB。但有資料揭示，CCD寬動態(tài)攝像機的動態(tài)范圍最多也只能達到60dB?，F(xiàn)在已經(jīng)推出的基于CMOS的DPS技術寬動態(tài)攝像機，其寬動態(tài)范圍一般能達到95dB，最高能達到120dB。
　　DPS技術的主要特點是對每個像素進行多次單獨無損失采樣，使動態(tài)范圍增大，說白了寬動態(tài)攝像就是采用多次曝光技術平衡調(diào)整明暗圖像畫面，還原逼真現(xiàn)場的真實效果。
　　DPS（Digital Pixel System）即數(shù)字圖像傳感處理系統(tǒng)，它的核心技術是在每一個拾取的像素上都包含一個ADC（analong—to—digited數(shù)模轉(zhuǎn)換器），當ADC捕捉到光信號時便直接將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并放大，這就最大限度地節(jié)省了無效的傳輸操作，降低了噪聲，保證所獲取圖像的高質(zhì)量，使得輸出后的圖像無任何拖尾和開花現(xiàn)象。DPS系統(tǒng)在整個圖像的獲取、傳輸和處理中，不論前端的拾取還是后端的處理完全以數(shù)字化的形式進行，是真正純數(shù)字化的圖像傳感系統(tǒng)。
　　美國Pixim公司在斯坦福大學20世紀90年代技術發(fā)展的基礎上研發(fā)了一種新型的DPS圖像拾取系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過其超強的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量圖片。源于斯坦福大學的Pixim的DPS成像技術，申請了56項專利，其中42項已經(jīng)生效。Pixim的DPS技術是目前唯一的直接以數(shù)字值表示光信號的圖像抓取系統(tǒng)。CCD和CMOS傳感器以模擬值表示光信號，然后再將模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，DPS則不存在模擬讀出噪聲。
　　在DPS技術中每個像素都有一個ADC，每個像素的信息都是獨立捕捉和處理的，同時使用了一個32bit的CPU處理芯片ARM7（或者ARM9）控制每個像素的曝光時間，使得?！獢?shù)轉(zhuǎn)換更精確。傳感器可在曝光周期內(nèi)對每個像素的光線進行多次和高速采樣，并控制每個像素的曝光時間，在其達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息，因此每個像素都經(jīng)過了多次（0.8ms內(nèi)）無破壞性的單獨采樣。在像素被采集后，系統(tǒng)再對其進行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像。DPS系統(tǒng)形成的圖像在水平和垂直分辨率上保持一致，任何角度都可以保證圖像的高分辨率。
　　Pixim的專利DPS技術標志著在攝像技術上的一個根本突破，以CCD為主流技術的攝像機必將受到DPS技術的巨大沖擊。
　　DPS技術在還原性的概念上，成像良好，圖像質(zhì)量高，采用DPS技術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)，能得到清晰的圖像細節(jié)，更加接近真實場景的色彩還原。
　　Pixim公司稱，DPS技術中“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技術中，每個像素對應的光線都可以被優(yōu)化曝光，最終形成高質(zhì)量的圖像。
　　DPS攝像機采用的是與“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，類似于人眼和大腦的關系，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，而且改變實際的圖像捕捉算法，實現(xiàn)了智能化圖像處理功能。
　　所以，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。
　　DPS寬動態(tài)技術的特點
　　從前面的闡述可以知道寬動態(tài)技術是應用于強烈的明暗交差環(huán)境中，亦可以理解為兩個環(huán)境中，一個是過度曝光，另一個過度偏暗，如在室內(nèi)與室外交差環(huán)境中，攝像機安裝室內(nèi)，要將室內(nèi)外兩個不同的環(huán)境表現(xiàn)清晰，必須采用寬動態(tài)技術才能達到還原圖像的效果。
　　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)出DPS攝像機的出類拔萃的特色。用自身OSD可以設置多項功能和調(diào)整多項參數(shù)以確保在多種場合下的監(jiān)控需求。下面介紹DPS攝像機的幾個主要特點：
　　1、最低照度
　　1Lux/F1.4（AGC ON 50IRE），0.75Lux/F1.2（AGC ON 50IRE），0.01Lux/F1.2（電子靈敏度提升最大32倍）。
　　2、WDR寬動態(tài)范圍
　　典型值95dB，最大值120dB，36調(diào)整級。
　　3、背光補償
　　背光補償具有以下4個選項。
　　·OFF，不設定背光補償;
　　·ON，通常全范圍背光補償;
　　·1SPOT，1個區(qū)域背光補償，通過設置可以選定背光補償區(qū)域大小和位置;
　　·2SPOT，2個區(qū)域背光補償，通過設置可以選定2個背光補償區(qū)域大小和位置。
　　4、GAIN增益
　　在選擇SENS UP ON時則有AGC和HYP AGC兩種增益模式可以選擇。而在選擇SENS UP OFF時有以下5種增益模式可以選擇。
　　·AGC模式是初始的自動優(yōu)化靈敏度和噪波電平;
　　·HYP AGC模式的靈敏度高于AGC模式，但在較高靈敏度和光線較暗時，圖像有噪波點;
　　·LOW低，這種低固定模式靈敏度低于較亮的場景;
　　·MID中，這種中等固定模式靈敏度介于LOW低和HIGH之間;
　　·HIGH高，這種高固定模式靈敏度用于較暗場景下，保持高靈敏度。
　　5、五種SENS UP 靈敏度提升模式。
　　·OFF，初始模式?jīng)]有靈敏度提升;
　　·S/N，信噪比模式用于拍攝移動幅度小，有亮度變化的場景;
　　·STD，這種標準模式可以在拍攝光線變化的場景時，抑制圖像模糊和粗糙;
　　·MOVE運動模式用于象街區(qū)或停車場等有光線變化和人物移動場景;
　　·SLOW SHUTTER慢快門電子靈敏度，有×2、×4、×8、×16、×32五檔選擇。
　　6、四種自動白平衡調(diào)整模式。
　　·ATW，初始設定自動調(diào)整;
　　·ATW Ex，當色溫范圍高于ATW模式時選用，在通常的光源下，與ATW模式相比略有褪色;
　　·AWC，這是所謂的ONE PUSH自動白平衡模式，使用一個白色靶子作基準自動調(diào)整白平衡;
　　·MANUAL手動調(diào)整R紅增益和B藍增益。在確定監(jiān)控場景和目標后，選擇一種最佳的白平衡模式，以保證色彩最好。
　　7、在色彩調(diào)整方面，將廣播級技術應用到監(jiān)控攝像機。
　　·COLOR BAR自身帶有彩條顯示功能，輔助調(diào)整色彩，以保證最佳色彩;
　　·CHROMA色度補償調(diào)節(jié)，用以調(diào)節(jié)圖像色彩;
　　·DETAIL輪廓細節(jié)調(diào)整。
　　寬動態(tài)技術的出現(xiàn)彌補了普通攝像機在光線明暗交差成像的缺點，但也存在不足，畢竟寬動態(tài)技術是針對專一環(huán)境的專用功能。往往是動態(tài)范圍大的攝像機其靈敏度較低，高靈敏度的攝像機動態(tài)范圍相對較低。也就是說目前寬動態(tài)攝像機在環(huán)境光線足夠時完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下的使用狀況并不理想，噪點過大。在夜間低照度的情況，圖像會出現(xiàn)類似雪花點的現(xiàn)象。有時也會出現(xiàn)其它現(xiàn)象，如：剛裝上去調(diào)試好是正常的，過段時間之后畫面會出現(xiàn)偏色，這個現(xiàn)象與環(huán)境的影響或攝像機本身設置都有關系，一般寬動態(tài)攝像機出現(xiàn)偏色都與白平衡有關，如果原本在調(diào)試的時候設置為自動跟蹤白平衡圖像就會隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生不同的白平衡效果，而將白平衡模式調(diào)整為自動白平衡即可解決。另外在安裝的過程中安裝的位置對圖像亦有偏差的影響，應盡量避免強光的反射點位置，這些都是寬動態(tài)攝像機安裝調(diào)試要注意的事項。
　　DPS寬動態(tài)技術的應用場合
　　優(yōu)良的寬動態(tài)功能可使DPS攝像機在光線反差較大的環(huán)境中（特別從室內(nèi)看室外時）看清全景中每個角落的細節(jié)，譬如安裝了寬大玻璃窗的辦公大樓大廳、銀行、ATM機、商店、機場等，這些位于門口、窗口等處具有明亮背景光的監(jiān)控場景。而在道路交通系統(tǒng)中，利用DPS攝像機的寬動態(tài)功能實現(xiàn)強光抑制效果可以看清車牌。使用DPS攝像機的寬動態(tài)功能（可抑制強光，減小光源的光暈）與極寬的色溫范圍特性（即使在不同光線環(huán)境下仍能保存圖像的原有色彩），也可將該攝像機用在街道監(jiān)控系統(tǒng)中來看車輛違規(guī)情況。
　　結語
　　隨著監(jiān)控系統(tǒng)整體數(shù)字化發(fā)展的趨勢，攝像機產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展也成為一種必然的潮流。作為一種全新技術的實現(xiàn)，在今后攝像機技術的發(fā)展中，以CCD為主流技術的攝像機必將受到DPS技術的巨大沖擊，隨著攝像機技術的不斷提升，各種成像技術存在的不足也將會迎刃而解。
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