DPS(Digital Pixel System)是成像和圖像處理領域的一項突破性技術,它革命性的圖像捕獲和處理方式允許將攝像機的動態(tài)范圍提升到史無前例的120dB,而傳統(tǒng)的CCD攝像機的動態(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技術的攝像機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節(jié),如安裝了寬大玻璃窗的辦公大樓大廳、銀行、ATM機、商場和機場等,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,攝像機的超寬動態(tài)功能還可抑制強光,減小光源的光暈,在道路交通監(jiān)控系統(tǒng)應用中,這可使得它即便在強烈汽車尾燈的干擾下也能從遠處看清汽車的車牌,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技術標志著圖像技術的一次突破性進展。在斯坦福大學90年代開發(fā)的技術基礎上,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技術的核心發(fā)明是在圖像傳感器的每一個像素點上包含了一個10位模數(shù)轉換器(ADC),這些ADC在捕獲的瞬間立即將每個像素點上的光信號轉換成一個數(shù)字值,從而可將陣列上的信號退化和串擾降到最小,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)字信號處理技術來真實重現(xiàn)圖像。

與此相反,今天市場上的CMOS或CCD圖像傳感器架構都是為每一列或每一行像素點配備一個ADC,每個像素點的輸出都是模擬光信號,這就帶來兩大缺點: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實現(xiàn)了每個像素的獨立采樣和曝光,而且每個像素完成采樣后直接轉換為數(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,一般可達到5次,該技術可確保在每個視頻幀的捕獲過程中每個像素點都得到最優(yōu)的曝光時間。

而目前市面上的其它技術典型地對每幀只有一次曝光時間,并在此時間段內(nèi)對每個像素點進行采樣,這必然導致每幀圖像上的某些像素點曝光不足(太暗)和某些像素點曝光過度(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?！庇捎贒PS技術的每個像素點都擁有自己的ADC,以及ADC輸出的信息被獨立地捕獲和處理,因此每個像素點事實上都像是一部獨立的攝像機。每個像素點的曝光時間根據(jù)它在圖像傳感器陣列中實際位置的獨特光照條件進行調(diào)節(jié),這使得每一個像素點都可能產(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集成了一系列先進的性能,包括借助一個串行端口進行遠程控制、數(shù)字轉動/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、復合視頻或分量輸出),或通過一個跳接器/開關選擇輸出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責并行處理來自每個像素點的數(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來進行數(shù)字信號處理,一是因為DSP的并行處理能力還不夠,二是因為DSP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現(xiàn)高并行處理能力、低功耗和低成本。”

目前全球領先的高質(zhì)量CCTV(閉路電視)設備和網(wǎng)絡視頻解決方案供應商(如通用電氣、Honeywell、JVC、Baxall和Pelco)已經(jīng)成為Pixim的客戶,國內(nèi)安防領域成長非常迅速的專業(yè)研發(fā)制造商及主流供應商深圳景陽集團最近也宣布基于Pixim的DPS技術開發(fā)出了國際一流的超級寬動態(tài)攝像機SN-586C,其典型動態(tài)范圍為95dB,最大可達到120dB。

傳統(tǒng)監(jiān)控用CCD攝像機在實際使用時長期困擾使用者的三大問題是:1)當鏡頭對準亮處時,則暗處影像不可見；當鏡頭對準暗處時,亮處影像又往往變得太白；2)當鏡頭對準近處時,則遠處影像不可見；當鏡頭對準遠處時,則近處影像又很模糊；3)當鏡頭迎著強光時,強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,當傳統(tǒng)的CCD攝像機從室內(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,因為人眼能處理1000:1的對比度。然而,傳統(tǒng)CCD攝像機就會有很大的問題,因為它只有3:1的對比性能。

而基于DPS技術的寬動態(tài)攝像機則很好地克服了傳統(tǒng)CCD攝像機的這些不足,它采用逐點高清晰成像,水平分辨率可達到480電視線,垂直分辨率可達到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,再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。

SN-586C具備很多傳統(tǒng)CCD攝像機所不具備的功能,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遠程控制、多種可選視頻輸出(包括標準復合視頻、RGB、Y/Cb/Cr和數(shù)字ITU-656)。

景陽集團總經(jīng)理劉向陽指出,超寬動態(tài)攝像機將對傳統(tǒng)的CCD攝像機行業(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技術的攝像機的市場前景有一個非常正面的影響,預計到2006年底它在監(jiān)控市場的占有率將達到20%?！?/p>

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)轉型,而且一開始就把自己定位在高端目標市場。劉向陽自豪地表示:“我們的目標從一開始就很明確,那就是成為國際一流的有自己品牌的專業(yè)安防系統(tǒng)供應商?！?/p>

除了針對高端市場的超寬動態(tài)攝像機外,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)。目前景陽集團下設景陽科技及景陽數(shù)碼兩個分公司,分別負責市場推廣服務及研發(fā)制造。

作者:陳路