细说安防宽动态技术及NEW进展

     摘要：在安防监控应用中， 经常会出现明暗反差较大或逆光的场景， 例如对准大门或窗户拍摄;由于整个图像中明亮的区域曝光过度，较暗的区域欠曝光， 从而不能看清楚图像最亮与最暗部分，即高亮的部分成像为白色，暗部呈现为黑色。早期采用背光补偿技术， 或干脆放置两台摄像机来适应较大的光线反差， 但效果不是非常理想， 因此诞生了宽动态技术，较好地解决了这一问题。

　　对于标准的CCD和CMOS图像传感器来说，所有感光单元的曝光(收集光子)时间都是相同的;在相同的时间内，感光单元对画面明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量还受到阱容量(well capacity)的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和;为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光，无法成像。

　　即对于典型的单次曝光的图像传感器来说，如果曝光时间过长，则明亮部分的像素将出现溢出，呈现白色;而如果降低曝光时间，则较暗部分的像素将由于没有足够的光，呈现黑色。

　　所以摄像机的宽动态(WDR，Wide Dynamic Range)能力对于视频监控来说是非常重要的指标之一。摄像机的动态范围越大，则视频监控画面所呈现的细节就更丰富，色彩空间更广，逆光拍摄的能力就越强。

　　宽动态能力一般用“动态范围”来表述，即亮度变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域。在量化描述上，通常采用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);可按照换算公式：N dB=20log(亮度比值)将上述比值以分贝(dB)标示。

　　宽动态技术

　　背光/逆光补偿

　　背光补偿，也称为逆光补偿，是早期应对强光或强逆光视频监控环境的方法，它的原理是：

　　在强光或强逆光等环境下，由于视场中包含一个很亮的区域，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标成像昏暗，无层次。背光补偿技术是把画面分成几个不同的区域，摄像机根据各个区域的平均信号电平来确定AGC电路增益;背光补偿技术提高AGC放大器的增益，使输出信号的幅值提高，从而使被拍摄目标的亮度提升，监控画面的可视性得到改善。

　　由于逆光补偿只是简单提升了拍摄目标的亮度，没有实际拓展动态范围，所以改善效果有限;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/多次曝光技术

　　传统的CCD/CMOS图像传感器在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次，这样图像中超出动态范围之外的明亮、较暗区域就会出现过度曝光，欠曝光的现象。

　　二次/多次曝光技术中图像传感器对场景进行二次或多次曝光，每次曝光的时间长度不同;然后用图像合成算法对不同曝光的画面进行处理和重新组合，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楚;该功能在图像传感器动态范围性能没有提升的情况下，将摄像机的有效动态范围进行了扩展。

　　由于CCD 图像传感器读取速度的限制， 即使采用二次曝光取样方式， 摄像机的宽动态范围最大只能到72dB。而当前采用CMOS图像传感器的摄像机采用二次曝光技术已经可以达到90dB以上的动态范围。

　　但二次/多次曝光技术也有其明显的局限性——动态物体拍摄。以二次曝光为例，对于在画面中以较高速度运动的物体，短曝光和长曝光拍摄到的物**于画面的不同位置，算法如何将不同位置的物体整合为一个成为难题。所以，采用多次曝光技术的宽动态摄像机一般只能用于目标对象运动速度较慢的监控场景中;如果画面中有较快运动的目标，则会因出现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) 技术

　　美国Pixim公司在本世纪初研发了一种基于CMOS技术的新型的图像采集系统——DPS(数字像素传感器);DPS技术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普通CCD/CMOS的动态范围;DPS技术的出现是一项划时代的成就。

　　传统的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转换器后才能转换为数字信号;存在着噪声大和输出时间长等缺点。DPS图像传感器是在图像传感器的每一个像素点上包含了一个10位A/D转换器，即在有源像素捕捉到光信号时，直接将其放大并转换为数字信号， 从而最大程度地降低了图像信号的衰减和干扰，可以大幅度提高信噪比。

　　此外，DPS图像传感器采用了ARM CPU精确控制每个像素，可实现每个像素单独采样和曝光，即可根据明暗程度，控制每个像素点的曝光时间;从数值上来说，采用DPS技术的CMOS摄像机动态范围可至120dB或更高;而且在获得超高动态范围的同时，DPS技术不仅解决了背光补偿在图像质量和色彩还原上的不足，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理的技术，每个像素都包含一套完整的处理电路，该处理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，处理电路的面积严重影响了像素的感光量;其结果是基于DPS技术的图像传感器，灵敏度有显著下降;且难以实现更高的分辨率;这些都限制了DPS技术的进一步发展。

　　并行双增益列放大器技术

　　在2012年就有企业推出了采用并行双增益列放大器技术的200万像素星光级图像传感器;该图像传感器采用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，每个像素的有效数据达到16位，单次曝光即可实现90dB以上的动态范围。

　　并行双增益列放大器技术可以看作是在当前芯片制造工艺下对DPS技术的改良——相对于CCD/CMOS整个图像传感器只有一个或数个高倍放大器的方式，该星光级图像传感器拥有4096个高倍/低倍放大器，大大扩展了动态范围。但相对于DPS为每个像素都配置一个A/D转换器的方式，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效感光面积的影响非常小，从而不会影响传感器的灵敏度。

　　从多次实测的效果看，采用该技术的星光高清网络摄像机具有良好的宽动态表现;尤其是在背光、夜间车灯等宽动态环境下能出色地还要运动物体的图像，没有拖影等现象，给车辆、人员等目标的细节识别带来便利。

　　未来的发展

　　据悉，已有公司正在研制基于并行三增益列放大器技术的星光二代传感器;该传感器的单次曝光动态范围从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，伴随图像传感器芯片制造工艺精度的不断提升，DPS图像传感器每个像素中因为包含很多个晶体管而带来的有效感光面积过小的弊端将被逐步克服;该技术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”系统相同的工作模式将引领视频监控图像传感器进入到智能图像处理时代——人眼和大脑在对图像进行处理和运算的同时， 不断向人眼(图像传感器)下达指令，不仅调整曝光时间， 而且实时改变图像捕捉算法，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。