DPS宽动态技术的探索与实际应用

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在摄像机发展的岁月里，从最初的真空管摄像机发展到现在的CCD、CMOS、DPS摄像机，随着摄像机应用的不断发展，出现了各种专用的摄像技术，宽动态技术便是其中之一。对于一些明暗反差强烈的特殊环境，普通摄像机针对图像的最“暗”与最“亮”部分的平衡调整能力非常有限，这时DPS宽动态技术便能发挥其突出的作用。
DPS宽动态技术
在逆光情况下，一般都采用超宽动态摄像机，超宽动态摄像机的动态范围表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮”的调整范围，动态范围越大图像所表现的图层就越丰富、清晰，当然图像的色彩空间就更广，也就是超宽动态摄像机适应逆光环境的能力也更大。
传统CCD摄像机在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次，因此必然会出现对整个图像中明亮的区域曝光过度、或较暗的区域欠曝光的现象。
尽管宽动态CCD摄像机与传统CCD摄像机相比，在技术上有了一次次突破，现在已发展到第三代CCD宽动态摄像机，宽动态范围也达到了160倍，或说54dB。但有资料揭示，CCD宽动态摄像机的动态范围最多也只能达到60dB。现在已经推出的基于CMOS的DPS技术宽动态摄像机，其宽动态范围一般能达到95dB，最高能达到120dB。
DPS技术的主要特点是对每个像素进行多次单独无损失采样，使动态范围增大，说白了宽动态摄像就是采用多次曝光技术平衡调整明暗图像画面，还原逼真现场的真实效果。
DPS(Digital Pixel System)即数字图像传感处理系统，它的核心技术是在每一个拾取的像素上都包含一个ADC(analong—to—digited数模转换器)，当ADC捕捉到光信号时便直接将其转换为数字信号并放大，这就最大限度地节省了无效的传输操作，降低了噪声，保证所获取图像的高质量，使得输出后的图像无任何拖尾和开花现象。DPS系统在整个图像的获取、传输和处理中，不论前端的拾取还是后端的处理完全以数字化的形式进行，是真正纯数字化的图像传感系统。
美国Pixim公司在斯坦福大学20世纪90年代技术发展的基础上研发了一种新型的DPS图像拾取系统，此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量图片。源于斯坦福大学的Pixim的DPS成像技术，申请了56项专利，其中42项已经生效。Pixim的DPS技术是目前唯一的直接以数字值表示光信号的图像抓取系统。CCD和CMOS传感器以模拟值表示光信号，然后再将模拟值转换成数字值，DPS则不存在模拟读出噪声。
在DPS技术中每个像素都有一个ADC，每个像素的信息都是独立捕捉和处理的，同时使用了一个32bit的CPU处理芯片ARM7(或者ARM9)控制每个像素的曝光时间，使得模—数转换更精确。传感器可在曝光周期内对每个像素的光线进行多次和高速采样，并控制每个像素的曝光时间，在其达到最佳状态时存储像素信息，因此每个像素都经过了多次(0.8ms内)无破坏性的单独采样。在像素被采集后，系统再对其进行处理，最终形成高质量的图像。DPS系统形成的图像在水平和垂直分辨率上保持一致，任何角度都可以保证图像的高分辨率。
Pixim的专利DPS技术标志着在摄像技术上的一个根本突破，以CCD为主流技术的摄像机必将受到DPS技术的巨大冲击。
DPS技术在还原性的概念上，成像良好，图像质量高，采用DPS技术可使每个像素的曝光时间不同，从而使同一画面不同部分的曝光时间不尽相同。因此，整幅图像的任意点，都可达到最佳图像显示的状态，能得到清晰的图像细节，更加接近真实场景的色彩还原。
Pixim公司称，DPS技术中“每个像素都是一部摄像机(Every pixel is a camera)”，在一幅图像中，曝光像素有数十万个，即使在最苛刻的光照条件下，也可捕捉到清晰、逼真的图像，再也不会因为阴影、眩光、反射和太阳光而使图像发暗或被破坏。因此，在DPS技术中，每个像素对应的光线都可以被优化曝光，最终形成高质量的图像。
DPS摄像机采用的是与“人眼——大脑”系统相同的工作模式，使图像传感器和图像处理器具有双向实时互动性。DPS摄像机图像的摄取和处理过程，类似于人眼和大脑的关系，在对图像进行处理和运算的同时，不断向图像传感器下达指令，不仅调整曝光时间，而且改变实际的图像捕捉算法，实现了智能化图像处理功能。
所以，在特定的图像特征和光照下，DPS摄像机最终能提供更详尽、完整和真实的图像细节，从而获得最佳的图像效果。
DPS宽动态技术的特点
从前面的阐述可以知道宽动态技术是应用于强烈的明暗交差环境中，亦可以理解为两个环境中，一个是过度曝光，另一个过度偏暗，如在室内与室外交差环境中，摄像机安装室内，要将室内外两个不同的环境表现清晰，必须采用宽动态技术才能达到还原图像的效果。
DPS摄像机除与CCD摄像机有相同的高清晰度外，在色度、白平衡、轮廓补偿、垂直光斑等方面都充分体现出DPS摄像机的出类拔萃的特色。用自身OSD可以设置多项功能和调整多项参数以确保在多种场合下的监控需求。下面介绍DPS摄像机的几个主要特点：
1、最低照度
1Lux/F1.4(AGC ON 50IRE)，0.75Lux/F1.2(AGC ON 50IRE)，0.01Lux/F1.2(电子灵敏度提升最大32倍)。
2、WDR宽动态范围
典型值95dB，最大值120dB，36调整级。
3、背光补偿
背光补偿具有以下4个选项。
·OFF，不设定背光补偿;
·ON，通常全范围背光补偿;
·1SPOT，1个区域背光补偿，通过设置可以选定背光补偿区域大小和位置;
·2SPOT，2个区域背光补偿，通过设置可以选定2个背光补偿区域大小和位置。
4、GAIN增益
在选择SENS UP ON时则有AGC和HYP AGC两种增益模式可以选择。而在选择SENS UP OFF时有以下5种增益模式可以选择。
·AGC模式是初始的自动优化灵敏度和噪波电平;
·HYP AGC模式的灵敏度高于AGC模式，但在较高灵敏度和光线较暗时，图像有噪波点;
·LOW低，这种低固定模式灵敏度低于较亮的场景;
·MID中，这种中等固定模式灵敏度介于LOW低和HIGH之间;
·HIGH高，这种高固定模式灵敏度用于较暗场景下，保持高灵敏度。
5、五种SENS UP 灵敏度提升模式。
·OFF，初始模式没有灵敏度提升;
·S/N，信噪比模式用于拍摄移动幅度小，有亮度变化的场景;
·STD，这种标准模式可以在拍摄光线变化的场景时，抑制图像模糊和粗糙;
·MOVE运动模式用于象街区或停车场等有光线变化和人物移动场景;
·SLOW SHUTTER慢快门电子灵敏度，有×2、×4、×8、×16、×32五档选择。
6、四种自动白平衡调整模式。
·ATW，初始设定自动调整;
·ATW Ex，当色温范围高于ATW模式时选用，在通常的光源下，与ATW模式相比略有褪色;
·AWC，这是所谓的ONE PUSH自动白平衡模式，使用一个白色靶子作基准自动调整白平衡;
·MANUAL手动调整R红增益和B蓝增益。在确定监控场景和目标后，选择一种最佳的白平衡模式，以保证色彩最好。
7、在色彩调整方面，将广播级技术应用到监控摄像机。
·COLOR BAR自身带有彩条显示功能，辅助调整色彩，以保证最佳色彩;
·CHROMA色度补偿调节，用以调节图像色彩;
·DETAIL轮廓细节调整。
宽动态技术的出现弥补了普通摄像机在光线明暗交差成像的缺点，但也存在不足，毕竟宽动态技术是针对专一环境的专用功能。往往是动态范围大的摄像机其灵敏度较低，高灵敏度的摄像机动态范围相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下的使用状况并不理想，噪点过大。在夜间低照度的情况，图像会出现类似雪花点的现象。有时也会出现其它现象，如：刚装上去调试好是正常的，过段时间之后画面会出现偏色，这个现象与环境的影响或摄像机本身设置都有关系，一般宽动态摄像机出现偏色都与白平衡有关，如果原本在调试的时候设置为自动跟踪白平衡图像就会随着环境的变化而产生不同的白平衡效果，而将白平衡模式调整为自动白平衡即可解决。另外在安装的过程中安装的位置对图像亦有偏差的影响，应尽量避免强光的反射点位置，这些都是宽动态摄像机安装调试要注意的事项。
DPS宽动态技术的应用场合
优良的宽动态功能可使DPS摄像机在光线反差较大的环境中(特别从室内看室外时)看清全景中每个角落的细节，譬如安装了宽大玻璃窗的办公大楼大厅、银行、ATM机、商店、机场等，这些位于门口、窗口等处具有明亮背景光的监控场景。而在道路交通系统中，利用DPS摄像机的宽动态功能实现强光抑制效果可以看清车牌。使用DPS摄像机的宽动态功能(可抑制强光，减小光源的光晕)与极宽的色温范围特性(即使在不同光线环境下仍能保存图像的原有色彩)，也可将该摄像机用在街道监控系统中来看车辆违规情况。
结语
随着监控系统整体数字化发展的趋势，摄像机产品数字化发展也成为一种必然的潮流。作为一种全新技术的实现，在今后摄像机技术的发展中，以CCD为主流技术的摄像机必将受到DPS技术的巨大冲击，随着摄像机技术的不断提升，各种成像技术存在的不足也将会迎刃而解。