高清圖像系統-DPS(Digital Pixel System)技術簡介

(轉自)http://www.sunell.com.cn/blog/post/9.html

       DPS(Digital Pixel System)是成像和圖像處理領域的一項突破性技術,它革命性的圖像捕獲和處理方式允許將攝像機的動態範圍提升到史無前例的120dB,而傳統的CCD攝像機的動態範圍最大才爲60dB。

       這麼優良的寬動態動能可使基於DPS技術的攝像機即便在光線落差較大的環境中(特別從室內看室外時)也能看清全景中每個角落的細節,如安裝了寬大玻璃窗的 辦公大樓大廳、銀行、ATM機、商場和機場等,這些位於門口和窗口等處的監控場景往往具有明亮背景光。此外,攝像機的超寬動態功能還可抑制強光,減小光源 的光暈,在道路交通監控系統應用中,這可使得它即便在強烈汽車尾燈的干擾下也能從遠處看清汽車的車牌,因此它還非常適用於在城市街道交通系統中監看車輛違 規情況。

       美國Pixim公司的專利DPS技術標誌着圖像技術的一次突破性進展。在斯坦福大學90年代開發的技術基礎上,Pixim公司已經開發出了兩款圖像捕獲和 處理系統D1000和D2000,它們可以提供高質量的圖像和增強的動態範圍。更寬的動態範圍極大地改善了同時包含明亮和黑暗區域場景的圖像質量。

      DPS技術的核心發明是在圖像傳感器的每一個像素點上包含了一個10位模數轉換器(ADC),這些ADC在捕獲的瞬間立即將每個像素點上的光信號轉換成一 個數字值,從而可將陣列上的信號退化和串擾降到最小,並允許採用更好的降噪方法。一旦數據以數字格式捕獲,就可以採用各種數字信號處理技術來真實重現圖 像。

      與此相反,今天市場上的CMOS或CCD圖像傳感器架構都是爲每一列或每一行像素點配備一個ADC,每個像素點的輸出都是模擬光信號,這就帶來兩大缺點:一是信號模擬噪聲大,二是每個視頻幀的讀取時間更長。目前市場上唯有DPS是真正的數字圖像系統。 
DPS 實現了每個像素的獨立採樣和曝光,而且每個像素完成採樣後直接轉換爲數字信號,由於數字處理可減少信號傳輸噪聲和損耗,因此它可以實現快速低噪聲的視頻幀 輸出,其單幀數據捕獲時間僅需0.8毫秒,而傳統的CCD或CMOS圖像傳感器往往需要幾十毫秒的時間。這麼快速的幀讀取時間使得Pixim開發出了專利 的多次採樣技術,一般可達到5次,該技術可確保在每個視頻幀的捕獲過程中每個像素點都得到最優的曝光時間。

       而目前市面上的其它技術典型地對每幀只有一次曝光時間,並在此時間段內對每個像素點進行採樣,這必然導致每幀圖像上的某些像素點曝光不足(太暗)和某些像素點曝光過度(太亮)。

      目前市場上最好的水平是曝光兩次,分別對圖像中的暗亮區域曝光一次,但這顯然還是不夠的。由於DPS技術的每個像素點都擁有自己的ADC,以及ADC輸出 的信息被獨立地捕獲和處理,因此每個像素點事實上都像是一部獨立的攝像機。每個像素點的曝光時間根據它在圖像傳感器陣列中實際位置的獨特光照條件進行調 節,這使得每一個像素點都可能產生最佳的圖像,因此這些圖像的組合能夠產生高質量的視頻幀或圖片。

傳統監控用CCD攝像機在實際使用時長期困擾使用者的三大問題是:
1.當鏡頭對準亮處時,則暗處影像不可見;當鏡頭對準暗處時,亮處影像又往往變得太白;
2.當鏡頭對準近處時,則遠處影像不可見;當鏡頭對準遠處時,則近處影像又很模糊;
3.當鏡頭迎着強光時,強光周邊部分圖像往往比較模糊。
產 生這些問題的根本原因是:自然光線照度範圍非常寬,從100,000Lux到0.00035Lux,當傳統的CCD攝像機從室內看窗外時,室內照度通常爲 100Lux,而外面的照度可能爲10,000Lux,對比度爲100:1。在這種對比度下人眼能很容易地同時看清室內和室外的物體,因爲人眼能處理 1000:1的對比度。然而,傳統CCD攝像機就會有很大的問題,因爲它只有3:1的對比性能。

       而基於DPS技術的寬動態攝像機則很好地克服了傳統CCD攝像機的這些不足,它採用逐點高清晰成像,水平分辨率可達到480電視線,垂直分辨率可達到 400電視線。即使在最苛刻的光照條件下,它也可捕捉到清晰逼真的圖像,再也不會因爲陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發暗或被破壞。

      隨着DPS技術的不斷髮展,其在視頻監控領域內的使用也會越來越廣泛,進一步提升監控攝像機的性能。

    編者注:景陽公司一直緊盯着DPS技術的發展,和美國Pixim公司達成了戰略合作伙伴,共同研發應用這項技術的產品,於2005年率先在中國推出完美運用DPS技術的產品超寬動態彩色攝像機系列,並藉此迅速佔領金融安防市場,成爲金融安防領域的一支勁旅。

 

附註:

         楊曉東, 中星微電子有限公司副總裁、首席技術官和共同創始人,高性能DPS圖像技術發明者,擁有幾十項美國及國際專利。楊曉東畢業於斯坦福大學,獲電子工程學博士、碩士和物理學學士學位,曾任英特爾、惠普公司高級工程師。

  和1999年一同回國創辦中星微的同伴鄧中翰和張輝相比,作爲“星光中國芯工程”首席技術官的楊曉東並不爲國內工程師所知。事實上,楊曉東在硅谷同樣擁有十分精彩和成功的人生經歷,是圖像技術領域知名的技術專家和企業家。在斯坦福大學,他和Abbas El Gamal等教授一起,爲DPS(digital pixel system)圖像技術的發展做出了開拓性貢獻,後來他又發明了高性能DPS圖像技術。

 

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