CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较

　　引言

　　自然光线的排列是从120000Lux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10000Lux，对比就是10000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度，然而传统的安防监控摄像机则不行，因为它只有3:1的对比性能。因此，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）。这是摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。最早的解决方法，一般会采用背光补偿技术或在室内外放置两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不理想，从而诞生了扩展动态范围的技术，即现在所说的宽动态WDR（Wide Dynamic Range）技术。

　　宽动态是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。“动态范围”广义上说是指某一变化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。摄像机的“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。即表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮”的调整范围，是静态图像或视频帧中最亮色调与最暗色调的比值。而色调能呈现出图像或帧中的精准细节，作为两种色调的比值，动态范围的单位可以是分贝、比特、档，或者简单以比率或倍数来表示。（各种单位之间的换算方法如表1所示）
 

▲表1   动态范围各单位之间的换算方法

　　表1仅列出了20档动态范围，因为这几乎涵盖了人眼所能分辨的所有动态范围，超过这些档位的动态范围已没有太大的实际意义。人眼之所以能分辨出跨度如此之广的动态范围，是因为人在观察实景时，瞳孔、虹膜、视网膜和相关肌肉会相互作用、动态调整，同时，大脑会将所有“曝光元素”整合为一幅连贯的图像，极其精准地反映出实景中十分明亮或十分暗淡的色调。

　　与人眼相比，对于标准CCD和CMOS图像传感器来说，所有感光单元的曝光（收集光子）时间都是相同的。感光单元对景物明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量却受到阱容量 (well capacity)的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和。为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光子。因此，对于典型的单次曝光的图像传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比。因此，CCD摄像器件的动态范围是指其输出的饱和电压与暗场下噪声峰-峰电压之比，即：

　　动态范围=Usat/UNp-p        (1)

　　式中，Usat为输出饱和电压；UNP-P为噪声的峰-峰值。

　　显然，动态范围也可这样来定义和计算，即由CCD势阱中可存贮的最大电荷量和噪声所决定的电荷量之比；其数值也是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比(通常用dB表示)，即：

　　动态范围=USp-p/UNp-p        (2)

　　式中，USp-p为输出信号峰值电压。

　　为了弥补标准CCD和CMOS图像传感器动态范围的不足，以松下为首的厂商采用了两次曝光取样法，即先进行一次时间较短的曝光，重置像素后，再进行一次时间较长的曝光。然后，用两次曝光得出的像素数据计算出图像中所有像素的色调信息。这样虽然增大了图像中最亮色调与最暗色调的比值，但却大大牺牲了中间色调的成像效果。实际上，这种方法产生的像素只是图像处理器凭借两次曝光信息“猜测”出的最佳值。

 　　显然，传感器在第二次曝光时需要将第一次曝光得到的数据保存起来，因而该方法需要双倍的内存。为消除这种额外的内存开销，采用两次曝光技术的很多产品不得不将垂直分辨率减少为一半。这种方法虽然提升了动态范围，但却牺牲了图像的真实分辨率和色彩精确度。所以，两次曝光的图像总是看起来很苍白，好像褪了色一样。显而易见，5次或多次曝光取样方法图像自然会好一些。

　　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。

 　　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

 　　由此可看出，宽动态技术并不是CCD摄像机独有的，由于CCD的感光特性限制，在技术上很难再有重大突破，而CMOS宽动态摄像机将会有突出的表现，可以说未来的监控摄像机都会有宽动态功能，而宽动态技术将属于CMOS。因为CCD宽动态摄像机是用两次曝光得出的像素数据计算出图像中所有像素的色调信息。这样，虽然增大了图像中最亮色调与最暗色调的比值，但却大大牺牲了中间色调的成像效果。并且，该方法需要双倍的内存。为消除这种额外的内存开销，采用两次曝光技术的很多产品不得不将垂直分辨率减少为一半。这种方法虽然提升了动态范围，但却牺牲了图像的真实分辨率和色彩精确度，其图像看起来总是很苍白，好像褪了色一样。
 

▲图3  采用两次曝光技术的 CCD 摄像机与CMOS-DPS摄像机拍摄图像对比

　　图3表示使用两次曝光技术扩展动态范围的Panasonic的CCD宽动态摄像机与CMOS-DPS摄像机拍摄图像的对比。显然，CCD宽动态摄像机所摄画面苍白，其色彩精准度和图像质量都不如Pixim的CMOS-DPS摄像机拍摄的好。

　　由图3看出，CMOS-DPS摄像机可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图像，即可以达到比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的两次或多次曝光成像有了更高的动态范围，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用户的要求。

　　CMOS-DPS技术也可称为“多点采样”技术，在一个单独的捕获画面，每个像素被独立地、无破坏性地多次取样，显然比CCD的多次取样多得多。成像系统决定最佳取样时间和存储像素信息。每个像素捕捉到的存储信息值（强度、时间、噪波弥补）被并行处理，然后转换成高质量的图像。因为Pixim的DPS技术的每一像素都有自己的模拟数字转换器，产生的信息被独立捕捉和处理，每一个像素在其摄像机内都起到了作用。在图像传感器的像素排列位置上，每一个像素的曝光时间被调节去处理独特的光条件。基于DPS系统平台制造的一个摄像机实质上都有成千上万个独立摄像单元，每个摄像单元都尽可能创作出最好的图像，这些图像然后被结合起来就可创造一帧高质量的视频画面。

　　有限的光亮范围不会影响到家用摄像机的功能，而且也被经常用到电影里以达到艺术效果。但用作安防监控摄像机则不可取，因为如果坏人躲在阴影下，你就不能够识别它。如果强光照射的场景中的细节丢失了，就可能失去有价值的线索。CMOS-DPS技术则可解决这个问题，尽管前景是强光的条件下，阴影部分物体仍然清晰可见，强光区域的物体也没有遗失。

　　虽然，随着CCD的不断发展，松下公司、索尼公司分别推出第三代宽动态摄像机(如松下WV-CP480L、索尼SSC-DC578P)，它们的典型宽动态范围也仅54dB。虽然JVC公司的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC采取了5次取样方式，最大动态范围也最多也只能为66dB。而采用Pixim技术的CMOS-DPS摄像机，如池上的ISD-A10，其典型的宽动态范围就可达95dB，并且最大还可到120dB。

　　由此看来，CCD宽动态摄像机要想达到CMOS-DPS的性能是不可能的，因为它在像素上不可能集成ADC等，要想进一步扩展动态范围，则只能尽量采取多次取样方式，或者在输出模式上尽量设法采取CMOS摄像机的线性-对数输出模式。

　　结束语

　　由上看出，宽动态技术并不是CCD摄像机独有的。由于CCD的感光特性限制，在技术上很难再有重大突破。而未来的监控摄像机都需要好的宽动态功能，显然宽动态技术将属于CMOS摄像机。CCD宽动态摄像机要想进一步发展，只能尽量采取多次取样方式，或采用线性-对数输出模式，但这样可能在价格上会失去竞争优势。

　　CCD虽然灵敏度高，但响应速度较低，不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此高清监控摄像机多采用CMOS成像器件。又由于CMOS成像器件所具有的宽动态范围、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。因此，笔者在2001年就曾撰文发表CMOS摄像机的优越性，预言它将会取代CCD，但并未引起摄像机制造企业决策者的注意。目前已有一些公司在往这方面发展，如深圳同安顺科技有限公司等主要开发的就是CMOS摄像机。显然，CMOS摄像机潜力巨大，其在动态范围等方面优异的性能，今后将会逐步取代CCD摄像机而占领市场。 （文/雷玉堂）

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