DPS技术可将摄像机的动态范围提升到创记录的120dB

DPS技术可将摄像机的动态范围提升到创记录的120dB


DPS(Digital Pixel System)是成像和图像处理领域的一项突破性技术，它革命性的图像捕获和处理方式允许将摄像机的动态范围提升到史无前例的120dB，而传统的CCD摄像机的动态范围最大才为60dB。


这么优良的宽动态动能可使基于DPS技术的摄像机即便在光线落差较大的环境中(特别从室内看室外时)也能看清全景中每个角落的细节，如安装了宽大玻璃窗的办公大楼大厅、银行、ATM机、商场和机场等，这些位于门口和窗口等处的监控场景往往具有明亮背景光。此外，摄像机的超宽动态功能还可抑制强光，减小光源的光晕，在道路交通监控系统应用中，这可使得它即便在强烈汽车尾灯的干扰下也能从远处看清汽车的车牌，因此它还非常适用于在城市街道交通系统中监看车辆违规情况。


美国Pixim公司的专利DPS技术标志着图像技术的一次突破性进展。在斯坦福大学90年代开发的技术基础上，Pixim公司已经开发出了两款图像捕获和处理系统D1000和D2000，它们可以提供高质量的图像和增强的动态范围。更宽的动态范围极大地改善了同时包含明亮和黑暗区域场景的图像质量。


DPS技术的核心发明是在图像传感器的每一个像素点上包含了一个10位模数转换器(ADC)，这些ADC在捕获的瞬间立即将每个像素点上的光信号转换成一个数字值，从而可将阵列上的信号退化和串扰降到最小，并允许采用更好的降噪方法。一旦数据以数字格式捕获，就可以采用各种数字信号处理技术来真实重现图像。


与此相反，今天市场上的CMOS或CCD图像传感器架构都是为每一列或每一行像素点配备一个ADC，每个像素点的输出都是模拟光信号，这就带来两大缺点：一是信号模拟噪声大，二是每个视频帧的读取时间更长。目前市场上唯有DPS是真正的数字图像系统。


DPS实现了每个像素的独立采样和曝光，而且每个像素完成采样后直接转换为数字信号，由于数字处理可减少信号传输噪声和损耗，因此它可以实现快速低噪声的视频帧输出，其单帧数据捕获时间仅需0.8毫秒，而传统的CCD或CMOS图像传感器往往需要几十毫秒的时间。这么快速的帧读取时间使得Pixim开发出了专利的多次采样技术，一般可达到5次，该技术可确保在每个视频帧的捕获过程中每个像素点都得到最优的曝光时间。


而目前市面上的其它技术典型地对每帧只有一次曝光时间，并在此时间段内对每个像素点进行采样，这必然导致每帧图像上的某些像素点曝光不足(太暗)和某些像素点曝光过度(太亮)。


Pixim副总裁Todd E. Rockoff博士表示：“目前市场上最好的水平是曝光两次，分别对图像中的暗亮区域曝光一次，但这显然还是不够的。”由于DPS技术的每个像素点都拥有自己的ADC，以及ADC输出的信息被独立地捕获和处理，因此每个像素点事实上都像是一部独立的摄像机。每个像素点的曝光时间根据它在图像传感器阵列中实际位置的独特光照条件进行调节，这使得每一个像素点都可能产生最佳的图像，因此这些图像的组合能够产生高质量的视频帧或图片。


D1000和D2000视频成像系统都由数字图像传感器D1010/2010和数字图像处理器D1020/2020组成，它们每个都能在正常工作状态下提供95dB的动态范围，并提供杰出的分辨率、灵敏度和彩色保真度。D2000集成了一系列先进的性能，包括借助一个串行端口进行远程控制、数字转动/倾斜/放大缩小、以及数字视频输出。同时它也能输出模拟信号(如组合视频、复合视频或分量输出)，或通过一个跳接器/开关选择输出PAL或NTSC信号。


D1020/2020数字图像处理器有帧缓冲器、视频处理引擎、视频编码器、ARM处理器和系统接口组成，32位ARM处理器主要用于完成接口和精确控制每个像素，视频处理引擎主要负责并行处理来自每个像素点的数字信号。


Rockoff博士指出：“我们之所以没有像普通的数字图像系统那样采用DSP来进行数字信号处理，一是因为DSP的并行处理能力还不够，二是因为DSP在功耗和成本两方面都不尽如人意，而专用视频处理引擎能够同时实现高并行处理能力、低功耗和低成本。”


目前全球领先的高质量CCTV(闭路电视)设备和网络视频解决方案供应商(如通用电气、Honeywell、JVC、Baxall和Pelco)已经成为Pixim的客户，国内安防领域成长非常迅速的专业研发制造商及主流供应商深圳景阳集团最近也宣布基于Pixim的DPS技术开发出了国际一流的超级宽动态摄像机SN-586C，其典型动态范围为95dB，最大可达到120dB。


传统监控用CCD摄像机在实际使用时长期困扰使用者的三大问题是：1）当镜头对准亮处时，则暗处影像不可见；当镜头对准暗处时，亮处影像又往往变得太白；2）当镜头对准近处时，则远处影像不可见；当镜头对准远处时，则近处影像又很模糊；3）当镜头迎着强光时，强光周边部分图像往往比较模糊。


产生这些问题的根本原因是：自然光线照度范围非常宽，从100,000Lux到0.00035Lux，当传统的CCD摄像机从室内看窗外时，室内照度通常为100Lux，而外面的照度可能为10,000Lux，对比度为100：1。在这种对比度下人眼能很容易地同时看清室内和室外的物体，因为人眼能处理1000：1的对比度。然而，传统CCD摄像机就会有很大的问题，因为它只有3：1的对比性能。


而基于DPS技术的宽动态摄像机则很好地克服了传统CCD摄像机的这些不足，它采用逐点高清晰成像，水平分辨率可达到480电视线，垂直分辨率可达到400电视线。即使在最苛刻的光照条件下，它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。


SN-586C具备很多传统CCD摄像机所不具备的功能，例如：SN-586C的视频信号可同时兼容NTSC/PAL信号，以方便匹配不同制式；SN-586C可调整视频输出信号峰-峰电平以智能补偿线路损耗；SN-586C可调整视频输出信号的GAMMA值，以方便匹配不同显示设备；SN-586C具备4倍数字放大功能，可上下左右移动画面，效果媲美光学变倍。


下一代SN-587C还将具备一些特殊功能，如移动侦测报警、区域放大、报警字符、外部信号输出、多种可选日/夜模式、RS-232/485远程控制、多种可选视频输出(包括标准复合视频、RGB、Y/Cb/Cr和数字ITU-656)。


景阳集团总经理刘向阳指出，超宽动态摄像机将对传统的CCD摄像机行业产生颠覆性的影响。Rockoff博士也表示：“最近的连串恐怖爆炸事件将极大地推动高端安全监控市场的发展，这对采用DPS技术的摄像机的市场前景有一个非常正面的影响，预计到2006年底它在监控市场的占有率将达到20%。”


景阳1997年刚成立时主要代理国外一些品牌的安防系统在中国市场的销售，但近年开始积极向自主研发转型，而且一开始就把自己定位在高端目标市场。刘向阳自豪地表示：“我们的目标从一开始就很明确，那就是成为国际一流的有自己品牌的专业安防系统供应商。”


除了针对高端市场的超宽动态摄像机外，景阳还开发出了基于VWEB的纯硬件MPEG-4嵌入式数字硬盘录像系统。目前景阳集团下设景阳科技及景阳数码两个分公司，分别负责市场推广服务及研发制造

老实说以前还没怎么注意，现在发现人类的科技真是潜力巨大！