CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较

　　在Pixim的Digital Pixel System（数字像素处理系统）技术中(即CMOS-DPS)，每个像素实际上都是一部独立的照相机，可独立控制各自的曝光过程。这样，捕捉物体较亮色调的像素就会在达到饱和之前停止收集光子，而捕捉较暗色调的像素也可以根据需要不断地收集光子，直到它们的信噪比足以准确呈现这些色调为止。同时，中间色调的显示效果也会得到保障，因为对它们进行捕捉的像素也会根据需要精确控制曝光时间，再也不必使用多次曝光得出的数据进行数学“猜测”。因此，CMOS-DPS可得到最大的动态范围120dB。

　　下面先分别介绍CCD与CMOS宽动态摄像机扩展动态范围的原理与方法，再将两者的性能进行对比，找出扩展动态范围的方向及其发展前景。

　　CCD摄像机扩展动态范围的原理与方法

　　目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有输出信号伽马修正方法、对数压缩放大方法、单帧图像两次取样方法、单帧图像多次取样方法四种。在安防监控领域中，一般多采用单帧图像两次或五次取样方法，尤其多用两次曝光取样方法。下面就介绍一下这种曝光取样方法的原理。

　　所谓“单帧图像两次取样方法”，或说“两次合成电子快门”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的两次取样曝光及图像分割合成技术。其工作过程如下：

　　首先，利用成像器件CCD对较暗的景物取得正确曝光(如用1/50s快门)，其曝光量如图1(a）所示，将得到的第1帧图像存储到数据缓冲存储器中。

　　其次，利用高速数字信号处理器DSP对送来的图像数据进行分析，如图像中较暗的部分曝光正常，而有部分曝光过度的区域(即高亮度区域)，就要对其进行亮度评估。

　　第三，根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光(如1/2000s快门)，其曝光量如图1(b）所示，并将第2次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中，如此即可同时取得两张对明暗两区均为正确的影像。
 

▲图1  双曝光时间与曝光量示意图
 

　　最后，再利用高速DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理算法，将两影像在DSP中高速运算相加，即将两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，然后在一帧新的图像中合成起来，就可标准制式实时输出亮暗动态范围很宽的图像。例如，室内人物照度为10Lux，而室外景物为1000 Lux，此时CCD摄像机可采用1/60秒的速度对室内景物取得正确曝光，再用1/6000秒对室外景物取得正确曝光，然后将两张图像结合即成为比较完美的图像。

　　但是，一般CCD摄像机并不具有这种双曝光的功能，这是因为一般的通用电路芯片不能实现这样高速运算，而高速DSP，如敏通的M88 DSP就具有200K个高速运算门电路的运算速度，同时解决了双曝光的两图像的分别记忆存储，紧接着即可做合成计算的功能，合成处理后再按标准制式实时输出视频图像信号。

　　显然，如果再根据对图像的最暗区域至最亮区域的中间过渡范围的整体评估，再对图像进行三次中间层次的曝光，这样又将得到三帧针对过渡范围内亮度不同的曝光图像。然后，通过特有的图像识别算法，将上述5幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来，再在一帧新的图像中合成起来，就会完成并最终输出比仅有2次曝光取样更加满意的图像。

　　CMOS摄像机扩展动态范围的原理与方法

　　尽管宽动态CCD摄像机与传统CCD摄像机相比，在技术上有了一次次突破，现在已发展到第三代CCD宽动态摄像机，宽动态范围也达到了160倍，或说54dB。而采用五次取样方式，CCD宽动态摄像机的动态范围最多也只能达到66dB。而现在已经推出的CMOS宽动态摄像机，其宽动态范围已能达到120dB。

　　CMOS宽动态摄像机扩展动态范围的方法有：双斜率输出模式、对数输出模式、伽马校正输出模式、线性-对数输出模式与CMOS-DPS数字像素式等。下面就简介一下CMOS-DPS数字像素式的CMOS摄像机扩展动态范围的原理。

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