首页[超越娱乐注册]首页宽动态摄像机技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。
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Lux。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10,000/100100:1。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。然而以传统的闭路监控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。
现代化的交通需要现代化的交通管理为解决城市主要路段和路口的交通拥挤和阻塞状况减少事故、违章现象建立现代化的智能交通指挥控制系统是非常必要的。同时对于提高城市形象促进城市的文明和发展也有着非常重要的意义。系统设计的总体目标是利用道路监控实施交通流量和交通运行监视对关键路段实施交通实时控制及时发现各种异常并采取应急措施保证道路高速、安全、有效地运行提高现代生活的交通水平。根据现在交通监控的实际需要一般都会在交通路口、车站、商业区、高速公路收费口等重点部位安装可控摄像机或固定摄像机.本文在分析了道路监控的特殊需求后主要针对道路监控摄像机的选型设计提出了一些建议。
在视频控制系统中无论从系统前端图象的摄取抑或到后端图象信号的记录与显示与控制系统设备性能的好坏是鉴定系统运作成功与否的关键因素。毫无疑问设备选型的好坏直接影响到系统的稳定可靠性、图象质量、系统使用寿命等有关建设方投资利益问题。因而系统设备选型是贯穿整个设计过程的重要环节。
对图像的清晰度和实时性有很高的要求,要求能看清车牌若车牌号码不能被清晰地确认出来则监控抓拍就毫无意义了。 由于道路监控需要24小时工作需要在极暗的条件下也可以得到优质的画面。 室外道路的光线的动态范围变化较大夏日阳光下环境照度达50000Lx100000Lx夜间路灯时仅为0.1Lux变化幅度相当大。在这种情况下摄像机无论是否具有自动调整灵敏度功能即通过摄像机本身的电子快门已不可能适应这么宽的照度范围也就无法达到控制图像效果的作用。因此必须要求摄像机具有很宽的动态范围。 在照度不好的条件下拍摄时拍摄的动态图像不可避免的会有噪点干扰所有要求宽动态摄像机有杰出的动态图像噪点消除功能能够消除图像阴影和拖尾现象。
宽动态摄像机摄像机性能中最核心的IC电路是CCD传感器芯片工作原理是由CCD光学镜头将目标景象成像在CCD传感器上传感器为高感度CCD然后以每秒50场25帧CCIR制式25Frame/s;NTSC制式30 Frame/s图像的速度将CCD输出的信号经CDS相关采样保持电路、AGC及A/D转换电路处理后输入到存储器中再利用高速运算芯片和数据处理功能将存储器中已存入的影像以逐行扫描方式逐行读出形成全视频信号。因此摄像机输出信号的质量除了选择性能上佳的CCD传感器外数据处理芯片/处理电路也是重要的环节。
在总结多年的实践经验后道路交通监控的设备集成和工程商都选用下述要求的摄像机
具备高线电视线;的工业标准摄像机。 低照度(≤0.1lux)最低照度达到0.0lux在黑夜光照度较低的情况下也能够获得清晰的图像效果。 采用超感度大尺寸CCD一般是1/2英寸CCD。由于1/2摄像机标靶尺寸比1/3摄像机的标靶尺寸大因此成像效果更为优良。成像面积较大光通量较大光照度要求低。 具有超宽动态拍摄功能,能在高反差以及照明突变的情况下快速、精确的进行响应从而获取高质量的、充分曝光的影像画面。 具有超级降噪技术能够消除动态图像噪点图像阴影和拖尾现象。特别是在解决由车头灯造成的路面交通监控或停车场监控问题时低拖尾度尤其重要。 高信噪比, 白平衡自动调整等功能的快速(快门速度不能慢于11000秒)摄像机。 采用工业级器件具有良好的全天候工作能力长期运行稳定可靠。 本文拟对以下几个重点参数作说明。
ccd产品问世已有30多年从当时的20万像素发展到目前的500—800万像素无论其市场规模还是其应用面都得到了巨大的发展可以说是在平稳中逐步提高特别是近几年来在消费领域中的应用发展速度更快。
目前的ccd组件每一个像素的面积和开发初期比较起来己缩小到1/10以下。今后在应用产品趋向小型化高像素的要求下单位面积将会更加的缩小。在小型化的同时利用各种新开发的技术使其感光度不会因为单位面积缩小而受到影响也同时要求其性能维持或向上提升。
80年代后期因为ccd中每一像素的缩小将使得受光面积减少感度也将变低。为改善这个问题索尼在每一感光二极管前装上微小镜片使用微小镜片后感光面积不再因为感测器的开口面积而决定而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率也使感亮度因此大幅提升。
进入90年代后期以来ccd的单位面积也越来越小1989年开发的微小镜片技术已经无法再提升感亮度如果将ccd组件内部放大器的放大倍率提升将会使杂讯也被提高画质会受到明显的影响。索尼在ccd技术的研发上又更进一步将以前使用微小镜片的技术改良提升光利用率开发将镜片的形状最优化技术即索尼 super had ccd技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计这也为目前的ccd基本技术奠定了基础。
在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下进入到摄影机内的斜光就越来越多使得入射到ccd组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上而ccd感测器的感度将会降低。1998年索尼公司为改善这个问题将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化让会造成垂直ccd画面杂讯的讯号不会进入使smear特性改善。
比可视光波长更长的红外线c;也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止ccd无法将这些光电变换后的电荷以有效的方法收集到感测器内。为此索尼在1998年新开发的“exview had ccd”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线c;有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线c;让感亮度能大幅提高。利用“exview had ccd”组件时在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时会漏出到垂直ccd部分的smear成分也可被收集到传感器内所以影响画质的杂讯也会大幅降低。
可见从点光源发出的光照度是遵守平方反比律的。1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度我们在摄像机参数规格中常见的最低照度表示该摄像机只需在所标示的LUX数值下即能获取清晰的影像画面此数值越小越好说明CCD的灵敏度越高。同样条件下黑白摄像机所需的照度远比尚须处理色彩浓度的彩色摄像机要低10倍。黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5lux(勒克斯)彩色摄像机多在1lux以上。照度值不仅与镜头的光圈大小F值有关与测试时的周边环境也有着较大的关系以光圈大小F值而言光圈愈大则其所代表的F值愈小所需的照度愈低。 0.97lux/F0.75相当于2.5lux/F1.2相当于3.4lux/F1.0
红外型采用红外灯照明在没有光线的情况下也可以成像
宽动态摄像机摄像机的最低照度是指当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号幅值下降为标准幅值700mV的50%--33%视频标称值为1V标准值为700mV另一种最低照度为CCD上的光照度,也即是CCD的感光度。CCD的光照度值远低于摄像机的最低照度值很多不法商人就将CCD的最低照度值标称为摄像机的最低照度值以蒙骗不知情者这一点尤其体现在国内的一些OEM产品以及一些杂牌、低端摄像机产品上。
此类摄像机目前在市场上仍有其特定的需求群昼夜型COLOR/MONO摄像机是利用黑白图像对红外线感度较高的特点在一定的光源条件利用线路切换的方式将图像由彩色转为黑白以便于搭配红外线。在彩色/黑白线路转换的技术演进过程中早期曾采用2颗SENSOR1颗彩色、1颗黑白共用一组电路再行切换目前此类摄像机已采用单一CCD彩色设计在白天或光源充足时为彩色摄像机当夜晚降临或光源不足时一般在1LUX3LUX即利用数字电路将彩色信号消除掉成为黑白图像且为了搭配红外线c;亦拿掉了彩色摄像机不可缺的红外线c;此种作法虽可在夜晚达到“低照度”的目的白天却有图像模糊色彩不自然的缺点并且摄像机的摄像距离会受到红外灯照射距离的限制。然而COLOR/MONO摄像机是否属于“低照度”摄像机仍相当具争议性专家指出真正的“低照度摄像机”应指摄像机本身所采用的元件、技术可达到的功能而白天彩色/晚上黑白的摄像机因受限于CCD灵敏度本身并无法改变只是利用线路切换及搭配红外光的方式将功能提升不能算是低照度摄像机。
此类摄像机又称为画面累积型摄像机是利用电脑记忆体的技术连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来成为一个图像清晰的画面运用SLOW SHUTTER技术降低摄像机照度至0.008LUX/F1.2×128并且画面能够累积的帧数 128帧是属于甚至包括进口品牌再内的领先水平。此类型低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆夜间生物活动观察夜间军事海岸线c;属性较静态场所的监视。此类型的低照度摄像机大多数为进口品牌价格昂贵且累积帧数少32帧。
在一些明暗反差过大的场合一般的摄像机由于CCD的感光特性所限制摄取的图像往往出现背景过亮或前景太暗的情况。针对这种情况宽动态技术应运而生较好地解决了这一问题。而在此之前传统的摄像机一般会采取背光补偿功能来适应光线反差大的场合。
常规摄像机视场中的物体在亮度较高的背景光时需要看门口或窗外的物体通常采用中央背光补偿(BLC)模式它主要是靠提升视场中央部分的亮度、降低视场四周部分的亮度来达到看清位于中央位置内物体的目的。
背光补偿也称为逆光补偿是把画面分成几个不同的区域每个区域分别曝光。在某些应用场合视场中可能包含一个很亮的区域而被包含的主体则处于亮场的包围之中画面一片昏暗无层次。此时由于AGC检测到的信号电平并不低因此放大器的增益很低不能改进画面主体的明暗度当引入逆光补偿时摄像机仅对整个视场的一个子区域进行检测通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低AGC放大器会有较高的增益使输出信号的幅值提高从而使监视器上的主体画明朗大大降低背景画面与主体画面的主观亮度差整个视场的可视性得到改善.逆光补偿虽然改善了拍摄主体的亮度但是图像质量或多或少会劣化下降。
而宽动态这一技术是同一时间曝光两次一次快一次慢再进行合成使得能够同时看清画面上亮与暗的物体。虽然二者都是为了克服在强背光环境条件下看清目标而采取的措施但背光补偿是以牺牲画面的对比度为代价的所以从某种意义上说宽动态技术是背光补偿的升级。
三星TECHWIN(三星光电子)由于企业背景的原因在国家军工方面有着丰富的经验产品更偏重于工业用品耐用性和稳定性。并且具有多年来积累的光学和半导体技术经验。在内置专业半导体芯片的安防监控摄像机和嵌入式硬盘录像机等产品上有着良好的表现。其独立研发的第三代超级图像技术SVⅢ(图5),配置了双速扫描CCD能够拍摄出具有宽动态效果的图像。并且使用了两个12位数字输入端使SVⅢ拥有超过80db的宽动态范围大量的数字信息经过23位的数据总线传输到DSP后DSP进行内部处理确保了没有数据丢失。然后宽动态范围通过非线性的适应性WDR压缩算法压缩成10位输出。
强大的灵敏度增强技术提供动态的3D过滤后的图像优化了信噪比。并且在保持全实时效果的低照度条件下增强可见度。
采用了高级的局部区域强化对比技术即使在较差的照度条件下也能得到理想的对比度。
采用独特的色彩控制算法可以扩大白平衡使用范围即可以在很宽的色温范围内将颜色准确真实的再现。这也意味着在很低照度条件下也能支持使用彩色模式并且很好的进行白平衡。
目前低照度、 宽动态摄像机用于道路监控的重点是高速公路收费监控系统,主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录实施有效的监督。。尤其是在晚上收费站工作人员需要看清车牌而一般情况下车灯打开后路上的环境照度与车牌的照度形成了一定的动态范围传统摄像机难以“看清”所以对低照度、宽动态摄像机有了需求。
其次是电子警察系统过闭路电视监控和冲红灯自动摄录等手段提高指挥中心的直观性、实时调动能力和对交通事故、意外事件的响应能力以及增强查处违章的客观性并对控制区域进行全面协调控制提高车辆的通行能力。由于需要看清车牌24小时监控所以对低照度宽动态摄像机有需求。
另外城市商业街中也有一定的应用用以掌握一些繁华路口的交通情况路段周围车辆的运行情况和行人的流量情况和交通治安情况等问题。
