CMOS-DPS摄像机及其智能化应用

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jalove

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发布时间： 2008-06-19 10:27 1楼
CMOS-DPS是继CMOS-PPS、CMOS-APS之后，最近几年才开发出来的。其核心是将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。本文介绍CMOS-DPS的组成及工作原理、摄像机的特点及其主要的智能化应用。
一、引言
随着光电技术及其相关科学技术的发展，固体图像传感器已从CCD发展到CMOS。而CMOS图像传感器从开始的无源像素系统PPS，而发展到有源像素系统APS，而APS结构的像素内部包含一个有源的放大器件，该放大器在像素内部具有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，且电荷不需要像CCD器件那样经过远距离移位到达输出放大器，因此避免了所有与电荷转移有关的CCD器件的缺陷。
像素内的每个放大器仅在读出期间被激发，它将经光电转换后的信号在像素内放大，然后用X-Y寻址和传输方式读出，并输出给图像处理单元。由于CMOS图像传感器所具有的独立的数据传输线路，不像CCD那样受电荷转移效率的限制，因此能达到很高的速度，其图像质量也比PPS得到明显地改善。
CMOS摄像机的最大特点，是可在固体图像传感器这同一芯片上，集成所有摄像机功能电路的单芯片摄像机。它与CCD摄像机相比，具有集成度高、体积小、功耗低、帧速高、读取速度快、制作工艺简单、价格低等优点。但在图像质量与灵敏度方面仍低于CCD。
随着CMOS-APS技术及降噪技术的发展与进步，近几年又开发出来CMOS-DPS。这个DPS，是基于美国PIXIM公司的DPS专利技术的图像传感器，其核心技术是在图像传感器的每一个像素点上增加了一个10位A/D转换器。这样，其直接输出的数字图像信号可以很方便地和后续处理电路接口，供数字信号处理器对其进行处理，以真实重现图像，使CMOS摄像机得到了实质性地进展。CCD在图像质量等方面的优势也逐渐黯淡，CMOS摄像机的光照灵敏度和信噪比可达到甚至超过CCD。
美国Foven公司还研制出了具有世界上最高分辨率（1680万像素）的CMOS图像传感器，这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破。其分辨率是以前发表的照相机CMOS图像传感器的3倍，是当今低档消费数码相机中普遍使用的CMOS图像传感器的50倍。
目前，CMOS 图像传感器正在向高分辨率、高动态范围、高灵敏度、集成化、智能化的方向发展。可以预计，CMOS图像传感器将会在很多领域取代CCD图像传感器，并开拓出新的更广阔的应用。
下面重点介绍这种CMOS-DPS的组成及工作原理、摄像机的特点及其主要的智能化应用。
二、DPS的组成及工作原理
所谓DPS(Digital Pixel System)，即数字像素系统，DPS摄像机就是有数字像素系统的摄像机。传统的CCD和CMOS摄像机传感器都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，存在着噪声大和输出时间长等缺点。而DPS是基于美国PIXIM公司的DPS专利技术的图像传感器，其核心技术是在图像传感器的每一个像素点上包含了一个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，从而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，就可以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，是目前市面上唯一的、真正的全数字图像处理系统。
实际上，DPS摄像机是含有数字像素系统的CMOS摄像机，是继CMOS-PPS、CMOS-APS之后的最近几年才开发出来的CMOS-DPS。DPS的单个像素的组成，如图1所示。
由图可知，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。由于是CMOS-DPS，具体的CMOS成像器件的结构原理，可参见我编著的“电视监控技术”书中的专门的CMOS摄像器件及CMOS摄像机，因此这里也就不用再详细阐述了。

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。
由于CMOS-DPS的特有结构是CCD所做不到的，加上它所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，使其能更方便地实现网络化与智能化。
三、DPS摄像机的特点
与CCD不同，DPS是纯数字的图像拾取和处理系统。在当今的数字化进程中，电视监控领域也势不可挡地从模拟向数字化发展，同样，在电视监控系统的前端，DPS技术的出现和应用，也使传统的模拟摄像机进入到了一个数字化的时代，实现了从模拟到数字的产品交替。
从目前看，DPS技术存在着明显的优势：
1、传输时间短，降低了噪声和衰减

CCD摄像机在图像的采集、处理和输出过程中需要经过多次的信号转换，存在传输时间长，转换噪声大，视频信号衰减等缺陷。DPS摄像机包含一组数字的图像传感器和数字的图像处理器。其核心技术是在数字图像传感器的每一个像素上集成了一个A/D，这种图像传感器上的像素，在捕捉到图像光信号时，能直接将其放大转换为数字信号。
DPS摄像机从传感器到输出的过程中，单帧图像获取的时间仅为0.8ms，而传统CCD技术则需数十ms，从而它最大限度地减少了无效的转换。因此，它减少了信号的传输时间，减小了信号的衰减、信号的传输与转换的噪声，即降低了噪声和衰减。
2、对每个像素能多次单独无损失采样，使动态范围增大
CCD摄像机在采集一幅图像的过程中，通常只对整个图像采样1次，获取的图像会出现不同程度的情况，即明亮的区域曝光过度、较暗的区域欠曝光的现象。而DPS在采集一幅图像时，系统可对每个像素进行多次单独无损失采样，并控制每个像素的最佳采样时间，从而使每个像素达到最佳状态时才存贮像素信息，所以可同时获取监控场景中明亮及阴暗区域中的详细的图像信息。这比CCD摄像机的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说，CCD的最大动态范围为60dB，而DPS摄像机的动态范围一般可到95dB，最高可达120dB。
这么优良的宽动态功能，可使基于DPS技术的摄像机即便在光线落差较大的环境中(特别从室内看室外时)也能看清全景中每个角落的细节，如安装了宽大玻璃窗的办公大楼大厅、银行、ATM机、商场和机场等，这些位于门口和窗口等处的监控场景往往具有明亮背景光。此外，摄像机的超宽动态功能还可抑制强光，减小光源的光晕，在道路交通监控系统应用中，可使得它即便在强烈汽车尾灯的干扰下，也能从远处看清汽车的车牌，因此它还非常适用于在城市街道交通系统中监看车辆违规情况。
3、色彩还原性好，图像质量提高
采用DPS技术的摄像机，通过其特有的数字采样和数字处理，能得到比CCD摄像机更宽的动态范围，克服了原来CMOS摄像机图像质量差的缺陷。因为利用DPS技术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，能得到清晰的图像细节，更加接近真实场景的色彩还原。
Pixim公司称，DPS技术中“每个像素都是一部相机(Every pixel is a camera)”，在单一图像中，曝光达数十万像素，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。因此，在DPS技术中，每个像素对应的光线都可以优化曝光，最终能形成高质量的图像。
4、有内嵌强大的软件平台，容易增加功能，使调整使用简单
因为DPS摄像机有内嵌强大的软件平台，NTSC/PAL制式兼容，所以DPS摄像机打破了传统的地域界限；有线缆补偿、线锁调整、更宽的白平衡范围，使原本复杂的使用、调整、偏色等问题，变得迎刃而解；内嵌软件可在前端摄像机上实现如视频移动侦测、区域放大、报警的输入输出等功能，并通过前端的采样和处理，大大减少后端设备由于干扰和信号传输衰减等而产生的误动作；使远程摄像机的设置调整，及数字变焦功能的应用变得简单；同样数字化的信号输出，能直接提供给高清显示设备或编码压缩芯片，减少信号转换过程的衰减，从而得到更加真实的高质量的图像。
5、模拟人眼与大脑，构成智能化图像处理系统
DPS摄像机采用的是与“人眼——大脑”系统相同的工作模式，即模拟人眼与大脑，使图像传感器和图像处理器具有双向实时互动性。也就是说，DPS摄像机在图像的摄取和处理过程，类似于人眼和大脑的关系，在负责图像的处理和运算的同时，不断向图像传感器下达指令，不仅调整曝光时间，而且改变实际的图像捕捉算法，方便实现图像智能化功能。
由于每一像素就像一台独立的摄像机，因而DSP摄像机可视为由几十万只小摄像机协同工作构成的智能化图像处理系统。它可避免亮度反差极大区域图像的“发花”和轮廓不清，达到零散射效果；可保证在各种照度条件下（尤其低照度）色彩不失真；分辨率在水平和垂直方向均衡一致（其垂直方向分辨率比现有摄像机提升了100TVL以上）。所以，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，易使图像智能化。
四、DPS摄像机的智能应用
随着DPS技术的发展，使CMOS摄像机的图像质量、信噪比等得到提高，因而其应用更加广泛。目前，越来越多的资深摄像机制造商，开始发展DPS摄像机，这包括一些业界知名企业，如Pelco、GE、BAXALL、JVC、Honeywell，以及我国深圳的景阳科技。
除了大家知道的CMOS摄像机的应用外(可参见本人编著的“电视监控技术”书中的第二章)，基于DPS技术的平台，通过摄像机中内嵌软件的开发，可提供图像技术的更广泛、更智能化的应用，从而使原本复杂的系统变得简单有效。通过摄像机软件的开发和应用，就可实现包括人体生物特征识别、模式识别、车牌识别、动作跟踪、智能交通、智能门禁、IP网络摄像机等的系统集成与高质量的智能化网络视频监控等。由于DPS摄像机是真正的全数字化摄像机，非常方便智能化软件的开发，目前具体可实现的智能化功能有：
1、人体生物特征识别中的面像识别与步态识别、跟踪与预/报警；
2、人与物的异常行为的检测、跟踪与预/报警；
3、车辆与车牌识别以及其被劫等异常行为的检测、识别、跟踪与预/报警；
4、交通拥挤堵塞的检测与预/报警；
5、高速公路车速与事故的检测与预/报警；
6、各站口、商场出/入人数的统计等。
总之，随着成像技术向全数字系统的转变，DPS技术势必为高质量的智能化网络视频监控解决方案，奠定了图像捕捉和智能化处理的坚实基础。因此，DPS摄像机必将在平安城市等网络视频监控系统以及政府、军事、公安、机密单位、各交通站口、各重要部门与场合等获得广泛地应用。
五、结束语
由上述简介可知，由于CMOS-DPS摄像机特有的像素结构，使其能成为真正的全数字化摄像机，因而优于其他的固体摄像机。基于DPS技术的平台，可在摄像机中非常方便内嵌智能化软件的开发，从而可充分利用视频图像的资源，提供图像技术的更广泛、更智能化的应用。
随着光电技术及其相关科学技术的发展，以及CMOS摄像技术的进步，可以预计，CMOS图像传感器将会在很多领域，取代CCD图像传感器，并开拓出新的更广阔的应用。

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