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DPS(Digital Pixel System)是成像和圖像處理領(lǐng)域的一項(xiàng)突破性技術(shù),它革命性的圖像捕獲和處理方式允許將攝像機(jī)的動態(tài)范圍提升到史無前例的120dB,而傳統(tǒng)的CCD攝像機(jī)的動態(tài)范圍最大才為60dB。
這么優(yōu)良的寬動態(tài)動能可使基于DPS技術(shù)的攝像機(jī)即便在光線落差較大的環(huán)境中(特別從室內(nèi)看室外時)也能看清全景中每個角落的細(xì)節(jié),如安裝了寬大玻璃窗的辦公大樓大廳、銀行、ATM機(jī)、商場和機(jī)場等,這些位于門口和窗口等處的監(jiān)控場景往往具有明亮背景光。此外,攝像機(jī)的超寬動態(tài)功能還可抑制強(qiáng)光,減小光源的光暈,在道路交通監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中,這可使得它即便在強(qiáng)烈汽車尾燈的干擾下也能從遠(yuǎn)處看清汽車的車牌,因此它還非常適用于在城市街道交通系統(tǒng)中監(jiān)看車輛違規(guī)情況。
美國Pixim公司的專利DPS技術(shù)標(biāo)志著圖像技術(shù)的一次突破性進(jìn)展。在斯坦福大學(xué)90年代開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)上,Pixim公司已經(jīng)開發(fā)出了兩款圖像捕獲和處理系統(tǒng)D1000和D2000,它們可以提供高質(zhì)量的圖像和增強(qiáng)的動態(tài)范圍。更寬的動態(tài)范圍極大地改善了同時包含明亮和黑暗區(qū)域場景的圖像質(zhì)量。
DPS技術(shù)的核心發(fā)明是在圖像傳感器的每一個像素點(diǎn)上包含了一個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),這些ADC在捕獲的瞬間立即將每個像素點(diǎn)上的光信號轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字值,從而可將陣列上的信號退化和串?dāng)_降到最小,并允許采用更好的降噪方法。一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字格式捕獲,就可以采用各種數(shù)字信號處理技術(shù)來真實(shí)重現(xiàn)圖像。
與此相反,今天市場上的CMOS或CCD圖像傳感器架構(gòu)都是為每一列或每一行像素點(diǎn)配備一個ADC,每個像素點(diǎn)的輸出都是模擬光信號,這就帶來兩大缺點(diǎn):一是信號模擬噪聲大,二是每個視頻幀的讀取時間更長。目前市場上唯有DPS是真正的數(shù)字圖像系統(tǒng)。
DPS實(shí)現(xiàn)了每個像素的獨(dú)立采樣和曝光,而且每個像素完成采樣后直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,由于數(shù)字處理可減少信號傳輸噪聲和損耗,因此它可以實(shí)現(xiàn)快速低噪聲的視頻幀輸出,其單幀數(shù)據(jù)捕獲時間僅需0.8毫秒,而傳統(tǒng)的CCD或CMOS圖像傳感器往往需要幾十毫秒的時間。這么快速的幀讀取時間使得Pixim開發(fā)出了專利的多次采樣技術(shù),一般可達(dá)到5次,該技術(shù)可確保在每個視頻幀的捕獲過程中每個像素點(diǎn)都得到最優(yōu)的曝光時間。
而目前市面上的其它技術(shù)典型地對每幀只有一次曝光時間,并在此時間段內(nèi)對每個像素點(diǎn)進(jìn)行采樣,這必然導(dǎo)致每幀圖像上的某些像素點(diǎn)曝光不足(太暗)和某些像素點(diǎn)曝光過度(太亮)。
Pixim副總裁Todd E. Rockoff博士表示:“目前市場上最好的水平是曝光兩次,分別對圖像中的暗亮區(qū)域曝光一次,但這顯然還是不夠的。”由于DPS技術(shù)的每個像素點(diǎn)都擁有自己的ADC,以及ADC輸出的信息被獨(dú)立地捕獲和處理,因此每個像素點(diǎn)事實(shí)上都像是一部獨(dú)立的攝像機(jī)。每個像素點(diǎn)的曝光時間根據(jù)它在圖像傳感器陣列中實(shí)際位置的獨(dú)特光照條件進(jìn)行調(diào)節(jié),這使得每一個像素點(diǎn)都可能產(chǎn)生最佳的圖像,因此這些圖像的組合能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的視頻幀或圖片。
D1000和D2000視頻成像系統(tǒng)都由數(shù)字圖像傳感器D1010/2010和數(shù)字圖像處理器D1020/2020組成,它們每個都能在正常工作狀態(tài)下提供95dB的動態(tài)范圍,并提供杰出的分辨率、靈敏度和彩色保真度。D2000集成了一系列先進(jìn)的性能,包括借助一個串行端口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、數(shù)字轉(zhuǎn)動/傾斜/放大縮小、以及數(shù)字視頻輸出。同時它也能輸出模擬信號(如組合視頻、復(fù)合視頻或分量輸出),或通過一個跳接器/開關(guān)選擇輸出PAL或NTSC信號。
D1020/2020數(shù)字圖像處理器有幀緩沖器、視頻處理引擎、視頻編碼器、ARM處理器和系統(tǒng)接口組成,32位ARM處理器主要用于完成接口和精確控制每個像素,視頻處理引擎主要負(fù)責(zé)并行處理來自每個像素點(diǎn)的數(shù)字信號。
Rockoff博士指出:“我們之所以沒有像普通的數(shù)字圖像系統(tǒng)那樣采用DSP來進(jìn)行數(shù)字信號處理,一是因?yàn)镈SP的并行處理能力還不夠,二是因?yàn)镈SP在功耗和成本兩方面都不盡如人意,而專用視頻處理引擎能夠同時實(shí)現(xiàn)高并行處理能力、低功耗和低成本。”
目前全球領(lǐng)先的高質(zhì)量CCTV(閉路電視)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)視頻解決方案供應(yīng)商(如通用電氣、Honeywell、JVC、Baxall和Pelco)已經(jīng)成為Pixim的客戶,國內(nèi)安防領(lǐng)域成長非常迅速的專業(yè)研發(fā)制造商及主流供應(yīng)商深圳景陽集團(tuán)最近也宣布基于Pixim的DPS技術(shù)開發(fā)出了國際一流的超級寬動態(tài)攝像機(jī)SN-586C,其典型動態(tài)范圍為95dB,最大可達(dá)到120dB。
傳統(tǒng)監(jiān)控用CCD攝像機(jī)在實(shí)際使用時長期困擾使用者的三大問題是:1)當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)亮處時,則暗處影像不可見；當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)暗處時,亮處影像又往往變得太白；2)當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)近處時,則遠(yuǎn)處影像不可見；當(dāng)鏡頭對準(zhǔn)遠(yuǎn)處時,則近處影像又很模糊；3)當(dāng)鏡頭迎著強(qiáng)光時,強(qiáng)光周邊部分圖像往往比較模糊。
產(chǎn)生這些問題的根本原因是:自然光線照度范圍非常寬,從100,000Lux到,當(dāng)傳統(tǒng)的CCD攝像機(jī)從室內(nèi)看窗外時,室內(nèi)照度通常為100Lux,而外面的照度可能為10,000Lux,對比度為100:1。在這種對比度下人眼能很容易地同時看清室內(nèi)和室外的物體,因?yàn)槿搜勰芴幚?000:1的對比度。然而,傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)就會有很大的問題,因?yàn)樗挥?:1的對比性能。
而基于DPS技術(shù)的寬動態(tài)攝像機(jī)則很好地克服了傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)的這些不足,它采用逐點(diǎn)高清晰成像,水平分辨率可達(dá)到480電視線,垂直分辨率可達(dá)到400電視線。即使在最苛刻的光照條件下,它也可捕捉到清晰逼真的圖像,再也不會因?yàn)殛幱啊⒀９狻⒎瓷浜吞柟舛箞D像發(fā)暗或被破壞。
SN-586C具備很多傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)所不具備的功能,例如:SN-586C的視頻信號可同時兼容NTSC/PAL信號,以方便匹配不同制式；SN-586C可調(diào)整視頻輸出信號峰-峰電平以智能補(bǔ)償線路損耗；SN-586C可調(diào)整視頻輸出信號的GAMMA值,以方便匹配不同顯示設(shè)備；SN-586C具備4倍數(shù)字放大功能,可上下左右移動畫面,效果媲美光學(xué)變倍。
下一代SN-587C還將具備一些特殊功能,如移動偵測報警、區(qū)域放大、報警字符、外部信號輸出、多種可選日/夜模式、RS-232/485遠(yuǎn)程控制、多種可選視頻輸出(包括標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻、RGB、Y/Cb/Cr和數(shù)字ITU-656)。
景陽集團(tuán)總經(jīng)理劉向陽指出,超寬動態(tài)攝像機(jī)將對傳統(tǒng)的CCD攝像機(jī)行業(yè)產(chǎn)生顛覆性的影響。Rockoff博士也表示:“最近的連串恐怖爆炸事件將極大地推動高端安全監(jiān)控市場的發(fā)展,這對采用DPS技術(shù)的攝像機(jī)的市場前景有一個非常正面的影響,預(yù)計到2006年底它在監(jiān)控市場的占有率將達(dá)到20%。”
景陽1997年剛成立時主要代理國外一些品牌的安防系統(tǒng)在中國市場的銷售,但近年開始積極向自主研發(fā)轉(zhuǎn)型,而且一開始就把自己定位在高端目標(biāo)市場。劉向陽自豪地表示:“我們的目標(biāo)從一開始就很明確,那就是成為國際一流的有自己品牌的專業(yè)安防系統(tǒng)供應(yīng)商。”
除了針對高端市場的超寬動態(tài)攝像機(jī)外,景陽還開發(fā)出了基于VWEB的純硬件MPEG-4嵌入式數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)。目前景陽集團(tuán)下設(shè)景陽科技及景陽數(shù)碼兩個分公司,分別負(fù)責(zé)市場推廣服務(wù)及研發(fā)制造。
作者:陳路
