主页（http://www.pttcn.net）：5种扩展CMOS摄像机动态范围的比较及其测量方法 【中国集群通信网】由于电荷耦合器件CCD的特性所限，CCD摄像机的宽动态范围目前利用最好的5次取样方式也只能做到66dB。而CMOS摄像机在这方面则占有优势，其一般的线性输出模式的动态范围就可达40~60dB;若采用线性-对数输出模式，其动态范围就可高达120dB。本文就对CMOS进行详细介绍。引言 在安防监控摄像机的应用过程中，经常会出现明暗反差较大或逆光的场景，从而使整个图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域欠曝光，不能看清楚图像最亮与最暗部分。如在银行储蓄所、重要场所出入口等。因为从窗外射入的强光和从天花板上的荧光灯照射的柔和光线都可能对当时室内外景象的捕获造成困难，不能同时将反差很大的室内外场景清晰地拍摄下来。所拍摄图像会出现背景过亮、前景过暗，或背景清晰、前景过暗及前景适合、背景过亮的情况。最早的解决方法，一般会采用背光补偿技术，或在室内外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。 CMOS成像器件的动态范围，同CCD摄像器件一样，都由它的信号处理能力和噪声决定，它反映了成像器件的工作范围。其数值也是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比(通常用dB表示)，即 动态范围 = USp-p /UNp-p (1) (1)式中，USp-p为输出信号峰值电压;UNP-P为噪声的峰-峰值。 在安防监控领域，摄像机的宽动态，即WDR(Wide Dynamic Range)，是指摄像机同时可看清图像最亮与最暗部分的照度比值。宽动态摄像机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，图像色彩空间就更广，宽动态摄像机适应逆光环境的能力也更大。 由于CCD宽动态技术是采用特殊DSP(数字信号处理)电路，对明亮部分进行最合适的快门速度曝光，然后再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，之后将两个图像进行DSP处理重新组合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚，但这需要较高的技术使色彩和清晰度损失最小。无论怎样，经过这样处理后的图像会失去其原有的色彩效果，这也是当前宽动态摄像机面临的最大问题。然而，由于CCD的特性限制，即使采用多次曝光取样方式，摄像机的宽动态范围最大只能到66dB。 显然，由于CCD感光特性限制，在技术上很难再有重大突破，而CMOS摄像机则可有突出的表现。它仅一般的线性输出模式动态范围就可达40-60dB;若采用线性-对数输出模式，其动态范围就可高达120dB。而线性-对数输出模式的光电响应，不仅扩大动态范围，还可防止图像滞后与克服图像的重影。目前，市场上已有Pixim公司推出的第3代CMOS-DPS图像摄取系统。此系统可通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像，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CCD的两次或多次曝光成像有更高的动态范围。从数值上来说，采用DPS技术的摄像机的动态范围一般均可达95dB，最高可至120dB。扩大动态范围同时，DPS也解决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。 CMOS摄像机几种扩展动态范围的原理与方法 由光电技术中光电成像器件知，CMOS成像器件可以有4种基本的输出模式：即线性模式、双斜率模式、对数特性模式、Y校正模式。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。下面就简介一下这几种输出模式。 1、线性输出模式 线性输出模式的输出一般与光强成正比，如图1中的曲线1所示。这种输出模式的动态范围最小，而且在线性范围的最高端信噪比最大。在小信号时，因噪声的影响增大，信噪比一般很低。但是，这种线性输出模式的CMOS摄像机，适用于要求进行连续测量的场合。
图1 4种输出模式曲线 2、双斜率输出模式 双斜率的输出模式，是一种扩大摄像机动态范围的方法，如图1中的曲线2所示。由图1看出，它采用两种曝光时间：当信号很弱时，采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大;当信号很强后，改用短时间曝光，这时曲线斜率就会降低，从而可以扩大动态范围。这就类似于CCD宽动态摄像机目前常采用的对最暗与最亮的双曝光，即2次取样方式。 显然，为改善输出的平滑性，还可采用多斜率的输出模式，即多种曝光时间(类似CCD宽动态摄像机的多次取样方式)。输出曲线可由多段直线拟合，显然曲线会平滑得多，使输出图像的灰阶层次等变得更好些。 3、对数输出模式 对数输出模式如图1中的曲线3所示。采用这种输出模式的CMOS摄像机的动态范围非常大，一般可达到几个数量级，使得无需对照相机或摄像机的曝光时间进行控制，也无需对其镜头的光圈进行调节。此外，在CMOS成像器件中，又可方便地设计出对数响应电路，且实现起来也很容易。 值得说明的是，由于人眼对光的响应也接近对数规律，因而这种输出模式具有良好的使用性能，在照相机等中常用。 4、γ校正模式 γ校正模式如图1中的曲线4所示。它的输出规律如下：U=KeγE (2) (2)式中，U为信号输出电压，E是输入光强，K为常数，而γ便是校正因子，γ为小于1的系数。由式(2)可见，这种模式也使输出信号的增长速度逐渐减缓，因而也能扩大动态范围。 由上看出，CMOS摄像器件的4种输出模式，除其输出特性有较大区别外，动态范围相差很大。一般线性输出模式动态范围只有40-60dB，其它输出模式都较大。 5、线性-对数输出模式 为更加扩大动态范围，还可以根据实际需要将两种输出模式进行组合。如采用线性-对数(Lin-log)输出模式，开始时输出随图像亮度正比例增加(线性响应)，当亮度信号超过某给定阈值后，输出成对数响应，这样的响应模式使CMOS成像器件的动态范围可高达120dB。 线性-对数输出模式的光电响应，不仅扩大了动态范围，还可防止图像滞后与克服图像的重影。 CMOS-DPS摄像机扩展动态范围的原理与方法 2005年10月，池上公司推出采用Pixim的DPS成像技术的超宽动态摄像机ISD-A10，它的动态范围典型值为95dB(17782倍)，最大为120dB(31.6万倍)，并具有非常好的色彩还原和清晰度。DPS 成像技术标志着宽动态技术有了巨大的突破，使新一代宽动态摄像机已经站在更高一层的起点上向前跨出了一大步。
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