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(2) 所谓DPS(Digital Pixel System)，即数字像素系统，CMOS-DPS摄像机就是有数字像素系统的摄像机。传统CCD和CMOS摄像机传感器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，存在噪声大和输出时间长等缺点。而DPS是在图像传感器的每个像素点上包含一个10位A/D转换器，即在CMOS摄像机图像传感器上的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，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，可采用各种数字信号处理技术来真实重现图像。显然，DPS技术中的图像传感器和图像处理器是全数字式的，并采用32位ARM CPU精确控制每个像素，使每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换为数字信号，是目前市面上唯一、真正的全数字图像处理系统。 CMOS-DPS的单个像素的组成，如图2所示。由图2可知，该器件的单个像素，由APS像素单元、模拟数字转换(A/D)、数字存储器和相关双取样(CDS)电路等组成。CMOS-DPS的工作原理，不像CMOS-PPS和CMOS-APS的A/D转换是在像素外进行，而是将A/D转换集成在每一个像素单元里，使每一像素单元输出的是数字信号，而成像系统控制着每个像素的最佳采样时间，在每个像素达到最佳状态时存储像素信息。在所有像素被采集后，再送到系统的DSP对其进行处理，以最终形成高质量的图像。因此，这种CMOS摄像系统克服了原来CMOS摄像机的缺点，而优于CCD摄像机。
图2 CMOS-DPS单个像素的组成 CMOS-DPS技术标志着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。因为在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被优化曝光，最终形成高质量的图像。 目前，CCD宽动态摄像机最好的扩展动态范围方式是5次取样方式。而CMOS-DPS摄像机是每个像素取样，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，得到清晰的图像细节，更加接近真实场景的色彩还原。因此，CMOS-DPS摄像机的动态范围自然要比CCD宽动态摄像机宽得多。 CMOS-DPS摄像机采用与“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，且改变实际的图像捕捉算法，实现智能化图像处理功能。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。 CMOS-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其出类拔萃的特色。用自身OSD可设置多项功能和调整多项参数以确保多种场合下的监控需求。 由于CMOS-DPS的特有结构是CCD无论如何都做不到的(CCD一个像素上不可能集成这些)，再加上CMOS成像器件具有的高速数字读出、无列读出噪声或固定图形噪声、工作速度更快、功耗更低的优点，使它能更方便地实现网络化与智能化。 几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较
表1 几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较 上述几种扩展CMOS摄像机动态范围的性能比较如表1所示。 由表1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。尤其CMOS-DPS图像传感器在每一个像素上将光信号转换成数字信号，使得每一个像素有独立的和最优化的曝光时间来产生高品质、高颜色精度的图像。它在扩大动态范围的同时，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，因而完全能够满足不同条件下不同用户的要求。 以线性-对数输出模式的CMOS摄像机与更便于网络化智能化的CMOS-DPS纯数字摄像机，均将是今后CMOS摄像机扩展动态范围的发展方向，尤其是后者。 动态范围的测量方法 确定摄像机成像器动态范围的方法主要有两种：一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息计算得出;另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像，并测量影像级别。尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值，但通常倾向使用测量的方法，因它能反映用户对摄像机成像效果的实际体验。 日本电子资讯技术产业协会 (JEITA)的测量方法 是否能够准确确定动态范围，一个重要的限制因素是灰阶测试卡是否能够有效测出动态范围的全部取值。比如图3 所示的 Kodak Q-14 测试卡，相邻灰阶格的刻度差是 1/3 光圈级数(f-stop)，最多只能测量出 5.66 档或大约 34 分贝的动态范围。
图3 Kodak Q-14 灰阶测试卡 使用 JEITA 方法测量动态范围和动态范围扩展比率时，灰阶测试卡的 gamma值指定为 2.2，总共有十个灰阶级别，能够测出的动态范围与 Q-14 灰阶测试卡基本相同。按照这种方法的规格说明书所述，将两张灰阶测试卡并排放置，二者中间以屏幕相隔。再用两台不同的照明光源分别照射屏幕两侧的测试卡，如图4所示。
图4 JEITA 动态范围扩展比率测量装置 JEITA方法中规定，对测试卡较亮端不断增加照明强度或增大光圈，直到刚好可区分出最亮的两个灰阶级别，然后对测试卡较暗一端不断减小照明强度直到最亮的灰阶级别(白色)达到50IRE。用公式计算动态范围的扩展比率(单位为分贝)。
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