在安防监控系统里CMOS摄像机在超宽动态摄像中的优势


CMOS成像器件可以有4种基本的输出模式,即线性输出模式、双斜率输出模式、对数特性输出模式、校正输出模式。这几种模式的动态范围相差很大,因而采用不同输出模式的CMOS摄像机的宽动态范围及其特性也有较大区别。

为更加扩大动态范围,还可以根据实际需要将上述的两种输出模式进行组合。例如,采用线性-对数(lin-log)输出模式,开始时输岀随图像亮度呈正比例增加(线性响应),当亮度信号超过某给定阈值后,输出即呈对数响应,如图1所示。

图1 IM28-SA的光电特性曲线

图1中所示的中间曲线为加拿大Dalsa公司生产销售的IM28-SA型CMOS超宽动态摄像机的光电特性曲线,这样的线性-对数响应的输出模式可使CMOS摄像机的动态范围能高达120dB。线性-对数输出模式的光电响应,木仅扩大了动态范围,还可防止图像滞后与克服图像的重影。

超宽动态范围的输岀模式除线性-对数输出模式外,还有前述的CMOS-DPS摄像机的数字像素系统模式。例如,2005年10月,池上公司采用Pixim的DPS成像技术推出的超宽动态摄像机ISD-A10,其动态范围典型值是95dB,最大能达120dB,并具有非常好的色彩还原和清晰度。

一、CMOS摄像机与CCD摄像机的宽动态性能的比较

CMOS摄像机与CCD摄像机的宽动态性能的比较如表1所示。

表1 CMOS摄像机与CCD摄像机的宽动态性能的比较
类型 宽动态范围 功耗 清晰度 成本 最低照度 色彩还原性 图像质量
CCD 最大66dB 差,苍白 较差
CMOS 最大120dB 较低 好,真实 层次丰富
 

由表1可看出,宽动态技术并不是CCD摄像机独有的,由于CCD的感光特性限制,在技术上很难再有重大突破,而CMOS宽动态摄像机将会有突岀的表现,可以说未来的监控摄像机都会有宽动态功能,而超宽动态技术将属于CMOS摄像机。因为CCD宽动态摄像机大多用二次曝光得出的像素数据计算出图像中所有像素的色调信息。这样,虽然增大了图像中最亮色调与最暗色调的比值,但却大大牺牲了中间色调的成像效果;并且该方法需要双倍的内存。为消除这种额外的内存开销,采用二次曝光技术的很多产品不得不将垂直分辨率减少为一半。这种方法虽然提升了动态范围,但却牺牲了图像的真实分辨率和色彩精确度,其图像总是看起来很苍白,好像褪色了一样。

虽然,随着CCD的不断发展,松下公司、索尼公司分别推出第三代宽动态摄像机(如松下WV-CP480L、索尼SSC-DC578P),它们的典型宽动态范围也仅为54dB。CCD宽动态摄像机目前最好的扩展动态范围的方式是5次取样方式,如JVC公司的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC,但最大动态范围最多也只能为66dB。

而CMOS-DPS摄像机则对每个像素取样,它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,从而更加接近真实场景的色彩还原。

图2所示为使用二次曝光技术扩展动态范围的Panasonic的CCD宽动态摄像机与Pixim公司的CMOS-DPS摄像机拍摄的图像的对比,显然,CCD宽动态摄像机所摄画面苍白,其色彩精准度和图像质量都不如Pixim的CMOS-DPS摄像机好。

图2 采用二次曝光技术的CCD摄像机和CMOS-DPS摄像机拍摄的图像对比

由图2可看出,CMOS-DPS摄像机可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像,即可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在动态范围上,DPS采用的单一像素曝光和ARM7控制技术,相比于CCD的两次或多次曝光成像有了更宽的动态范围(最高可至120dB)。在扩大动态范围的同时,DPS也解决了CCD传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足,其色彩还原性更加真实,完全能够满足不同条件下不同用户的要求。

由于Pixim的DPS技术的每一像素都有自己的A/D转换器,产生的信息被独立地捕捉和处理,每一个像素在其摄像机内都起到了作用。在图像传感器的像素排列位置上,每一个像素的曝光时间被调节去处理独特的光条件。基于DPS系统平台制造的一个摄像机实质上都有成千上万个独立摄像单元,每个摄像单元都尽可能创作出最好的图像。这些图像然后被结合起来就可创造一帧高质量的视频画面。

由此看来,CCD宽动态摄像机要想达到CMOS-DPS的性能是不可能的,因为它在像素上不可能集成ADC等,要想进一步扩展动态范围,则只能尽量采取多次取样方式,或者在输出模式上尽量设法采取CMOS摄像机的线性-对数输出模式。

二、5种扩展CMOS摄像机的动态范围的性能比较

CMOS摄像机除基本的线性输出模式外,其余5种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较如表2所示。

表2 几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较
类型 动态范围 图像质量 成本 应用
线性输出模式 安防监控,测量,识别
双斜率输出模式 较大 较好 较高 安防监控,测量,识别
对数输出模式 较高 安防监控,广播电视.测量,识别
伽马校正输出模式 较大 较好   安防监控,测量,识别
线性-对数输出模式 最大 最好   安防监控,广播电视,测童,识别
CMOS-DPS 最大 最好 安防监控,广播电视,测量,识别
 

由表2可知,CMOS摄像机动态范围以线性-对数输出模式与CMOS-DPS数字像素式为最大,其图像灰度层次丰富、色彩真实、质量品质高。

由此看出,线性-对数输岀模式的CMOS摄像机与更便于智能化的CMOS-DPS纯数字摄像机,均将是今后扩展CMOS摄像机的动态范围的发展方向。

 

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