CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较

2010-09-17 17:09:43 来源:CPS中安网 作者:王华安 责任编辑: whancps 收藏本文

　　CMOS-DPS是继CMOS-PPS与CMOS-APS之后的第三代CMOS宽动态摄像机。所谓DPS（Digital Pixel System），即数字像素系统，CMOS-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。
 

▲图2  CMOS-DPS单个像素的组成

　　CMOS-DPS的的单个像素的组成，如图2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。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。

　　CMOS-DPS技术标志着在摄像技术上的一个根本突破，以CCD为主流技术的摄像机必将受到DPS技术的巨大冲击。因为在DPS技术中，“每个像素都是一部摄像机(Every pixel is a camera)”，在一幅图像中，曝光像素有数十万个，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被优化曝光，最终形成高质量的图像。

　　目前，CCD宽动态摄像机最好的扩展动态范围的方式是5次取样方式。而CMOS-DPS摄像机是每个像素取样，它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，从而更加接近真实场景的色彩还原。因此，CMOS-DPS摄像机的动态范围自然要比CCD宽动态摄像机的宽得多。

　　CMOS-DPS摄像机采用的是与“人眼-大脑”系统相同的工作模式，使图像传感器和图像处理器具有双向实时互动性。DPS摄像机图像的摄取和处理过程，类似于人眼和大脑的关系，在对图像进行处理和运算的同时，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，实现了智能化图像处理功能。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、更完整和更真实的图像细节，从而获得最佳的图像效果。

　　CMOS-DPS摄像机除与CCD摄像机有相同的高清晰度外，在色度、白平衡、轮廓补偿、垂直光斑等方面都充分体现出DPS摄像机的出类拔萃的特色。用自身OSD可以设置多项功能和调整多项参数以确保在多种场合下的监控需求。

　　由于CMOS-DPS的特有结构是CCD无论如何都做不到的(因为CCD一个像素上不可能集成这些)，再加上CMOS成像器件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，使它能更方便地实现网络化与智能化。2005年10月，池上公司推出采用Pixim的DPS成像技术的超宽动态摄像机ISD-A10，它的动态范围典型值为95dB，最大为120dB，并具有非常好的色彩还原和清晰度。

　　CMOS-DPS成像技术标志着宽动态技术有了巨大的突破，使新一代宽动态摄像机已经站在更高一层的起点上向前跨出了一大步。

　　CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较

　　CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较如表2所示。
 

▲表2  CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较

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