公共场所监控系统中的创新DPS技术应用

　　景阳(Sunell)在中国深圳推出的采用基于其开发合作伙伴美国Pixim公司的DPS(Digital Pixel System)图像处理技术的超宽动态彩色摄像机SN-586C和SN-587C系列，正在各地的“平安城市”，“科技强警”建设中发挥着重要的作用。

　　经过短短两年时间，创新DPS技术摄像机在诸多地域有了成功案例。诸如城市广场、地下通道、交通路口、宾馆大厅、大厦入口等等公共场所，对强烈光线对比环境下的成像效果要求越来越苛刻的时候，使用创新DPS技术的摄像机已成为施工单位的首选。该系列超宽动态彩色摄像机，拥有流线型、紧固的外观设计，银灰色的外壳有很好的金属质感。这款摄像机在数字图像传感器里「每个像素都是一部摄像机(Every pixel is a camera)」，在单一图像中曝光数十万像素，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。

　　要了解超级宽动态摄像机不能不先了解动态范围的概念，让我们从动态范围开始逐步解读公共场所监控系统中的创新DPS技术应用：

　　动态范围概述：

　　当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。

　　广义上的“动态范围”是指某一变化的事物可能改变的跨度，即其变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域，此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值。这是一个应用非常广泛的概念，在谈及摄像机产品的拍摄图像指标时，一般的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度（反差）及色温（反差）的变化范围。

　　宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux到星光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是10,000Lux,对比就是10,000/100=100:1。这个对比使人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度。然而以传统摄像机处理它会有很大的问题，传统摄像机只有3:1的对比性能，它只能选择使用1/60秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像会被清除掉（全白）；或者换种方法，摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室内的影像会被清除（全黑）。这是一个自从摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。

　　创新DPS技术：

　　创新DPS技术体现的宽动态功能划时代地提升了一副图像中亮和暗区域的影像拍摄效果，可以达到比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，相比于CCD的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说，采用DPS技术的摄像机的动态范围可到达95dB，最高可至120dB。在扩大动态范围的同时，DPS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，完全能够满足不同条件下不同客户的要求。

　　传统的CCD和CMOS摄像机感应器都输出模拟讯号，存在着噪声大和输出时间长等缺点，而这种1993年问世于美国斯坦福大学的DPS技术，图像感应器和图像处理器全数字化，并采用32位ARM CPU精确控制每个像素，且每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换为数字讯号、是目前市面上「唯一真正的」数字图像处理系统 (图1) 。SN-586C和SN-587C系列超级宽动态摄像机均采用DPS技术推出的D1000和D2000视频影像系统。



　　　　　　　　　　　　图1  DPS摄像机工作原理图

　　在DPS技术中，每个像素对应的光线都可以最佳化曝光，每幅画面读取时间只需0.8毫秒(传统CCD技术则需数10毫秒)，使得系统对每个像素进行多次单独采样成为可能；而影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储存像素信息。在所有像素被采集后，系统再对其进行处理，最终形成高质量的图像。与之对比，采用传统CCD图像感应器的像机在采集一幅图像的过程中对整个图像采样次数有限，必然会出现对整个图像中明亮的区域过度曝光，或较暗的区域欠曝光的现象。

　　在捕捉到光信号时，最大程度上降低了信号在排列中的衰减和干扰。配合宽动态感光器件，Sunell摄像机内置了可对每个像素点进行亮度调节的数字信号处理芯片，无论是稍暗的前景还是光线明亮的背景，都可在画面中得到清晰的细节展现。因此在拍摄既有明亮部分又有阴暗部分的高反差场景时，能得到近似于人类视觉所能感受到清晰的影像。

　　对每个像素的多次采样意味着能得到超级宽动态范围。采用DPS技术的Sunell摄像机的宽动态范围为95dB，并可提升到120dB；而目前市场上普通CCD摄像机的标准动态范围为45dB，最大动态范围仅为60dB。(图2)

　　　　　　　　　　　图2  DPS技术逐点采样曝光

　　实际应用：

　　随着监控系统的日渐普及，摄像机被广泛应用在各个领域。但是体育场馆出入口、娱乐场所、停车场出入口、银行金融领域、交通港等公共场所要害地点一般对摄像机的动态范围、照度、色彩还原度要求十分苛刻。因为在需要取证的关键时刻，如果因视频采集设备技术条件受限，导致的嫌疑对象无法识别。对整套监控系统来说使用意义将是致命的。

　　以金融机构ATM自助银行的应用为参照：安装在门口的摄像机获取的图像由于受到光线的影响，一部分图像在光线充足的室外，另一部分为光线较暗的室内大厅。在一副图像中光线明暗对比强烈，室外的图像因为过分曝光，室内的图像因曝光不足无法获取图像信息。空间上存在室内和室外，由于门口的阻隔，光线方面出现了两种境界。这是没有采用宽动态技术的普遍现象。想要最终得到的图像能够清晰的反映出明亮区域和黑暗区域的画面，常规摄像机已难满足上述要求。(图3)　

　　　　创新DPS技术 　　　　　　　　　　　　　　　 普通技术

　　图3  DPS技术效果对比

　　在这种情况下采用创新DPS技术的宽动态摄像机的工作模式就可有效解决这一矛盾。应用了创新DPS技术的Sunell摄像机，基于DPS技术的工作原理，使黑暗区域可以变得明亮一些，使场景中明亮区域变的更加柔和，改变了视觉效果，提供出有用的可识别的图像。

　　小结：
　　2006年10月24日，深圳市科学技术和信息局组织的专家考察组对景阳数码技术有限公司申报的高新技术项目进行了现场考察。考察组认为：景阳数码研发的“SN—587C超级宽动态彩色摄像机”项目具有自主知识产权，达到国内先进水平，而且市场前景很好，完全符合深圳市高新技术项目的条件,并认定为“深圳市高新技术项目”。