DSP是攝像機(jī)主要的元器件，且DSP攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)應(yīng)用越來(lái)越廣，那么DSP技術(shù)和DSP攝像機(jī)功能都有何特點(diǎn)呢？針對(duì)這些疑問(wèn)本文作出了深入的探討和分析，為大家詳細(xì)的介紹了DSP攝像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)、它的各種主要功能以及它未來(lái)的技術(shù)展望。
隨著DSP(Digital Signal Processing數(shù)字信號(hào)處理器)的廣泛應(yīng)用及快速發(fā)展，為數(shù)字信息產(chǎn)品帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間，并將支持通信、計(jì)算機(jī)和消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的數(shù)字化融合。在無(wú)線領(lǐng)域，DSP遍及無(wú)線交換設(shè)備、基站、手持終端和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，并涵蓋從骨干基礎(chǔ)設(shè)施到寬帶入戶(hù)的設(shè)備，包括VoIP網(wǎng)關(guān)、IP電話、DSL和Cable Modem等；面向群體應(yīng)用，DSP在媒體網(wǎng)關(guān)、視頻監(jiān)控、專(zhuān)業(yè)音響、數(shù)字廣播、激光打印等應(yīng)用中表現(xiàn)出色；面向個(gè)人應(yīng)用，DSP在便攜式數(shù)字音頻和影像播放器、指紋識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別等應(yīng)用中表現(xiàn)不俗；針對(duì)嵌入式數(shù)字控制應(yīng)用，DSP極大地滿足了工業(yè)界的需求，如數(shù)字變頻電力電源設(shè)備、工業(yè)縫紉機(jī)等；DSP也極大地滿足了消費(fèi)電子的需求，如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等。
DSP攝像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
1978年由AMI公司發(fā)布世界第一個(gè)DSP芯片S2881，到80年代由美國(guó)德州儀器公司推出TMS系列，至90年代DSP芯片突飛猛進(jìn)，并在CCTV行業(yè)被大規(guī)模使用。采用DSP處理器的攝像機(jī)有以下的優(yōu)點(diǎn) ：
1、由于采用數(shù)字檢測(cè)和數(shù)字運(yùn)算技術(shù)而具有智能背景光補(bǔ)償功能。傳統(tǒng)攝像機(jī)要求被攝景物置于畫(huà)面中央并要占據(jù)較大的面積方能有較好的背景光補(bǔ)償效果，否則過(guò)亮的背景光可能會(huì)降低圖像中心的透明度。而DSP攝像機(jī)將一個(gè)畫(huà)面劃分成48個(gè)小區(qū)域來(lái)有效檢測(cè)目標(biāo)，這樣即使是很小的、或不在畫(huà)面中心的景物均能清楚地呈現(xiàn)。
２、由于DSP技術(shù)能自動(dòng)跟蹤白平衡，即可以檢測(cè)和跟蹤“白色”，并以數(shù)字處理功能再現(xiàn)原始色彩。傳統(tǒng)的攝像機(jī)因系對(duì)畫(huà)面的全部色彩作平均處理，這樣如果彩色物體在畫(huà)面上占據(jù)很大面積，那么彩色重現(xiàn)將不平衡，也就是不能重現(xiàn)原始色彩。DSP攝像機(jī)是將一個(gè)畫(huà)面分成48個(gè)小處理區(qū)域，這樣就能夠有效地檢測(cè)白色，即使畫(huà)面上只有很小的一塊白色，攝像機(jī)也能跟蹤它而再現(xiàn)出原始的色彩。
利用DSP，攝像機(jī)技術(shù)的突破
1、570電視線水平清晰度
采用12位數(shù)字處理（目前大多品牌采用10位）和獨(dú)有處理單元,彩色模式下水平清晰度540電視線，黑白模式下570 電視線，如圖1。
2、色彩還原：獨(dú)有的色彩還原機(jī)制
采用色序矩陣結(jié)構(gòu)能夠獲得現(xiàn)場(chǎng)色溫變化、并能在不同照度環(huán)境下還原真實(shí)的色彩。
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3、自動(dòng)白平衡AWB(Auto White Balance)
可以在不同的色溫環(huán)境下還原真實(shí)的色彩。人的眼睛觀察到的不同光線有著不同的色溫。人的眼睛可以隨著環(huán)境的不同，區(qū)分什么顏色是“白色”。然而，攝像機(jī)并沒(méi)有這個(gè)能力。數(shù)碼相機(jī)需要一個(gè)參考點(diǎn)來(lái)定義“白色”，當(dāng)這個(gè)參考點(diǎn)決定后，攝像機(jī)便能計(jì)算出其他顏色。采用DSP后，色溫的范圍更加廣（1700°K—11000°K），而普通攝像機(jī)的色溫只有（2500°K—9000°K），如圖2所示。
4、背光補(bǔ)償BLC(Backlight Compensation)
通常，普通攝像機(jī)的AGC工作點(diǎn)是通過(guò)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)的內(nèi)容作平均來(lái)確定的，但如果視場(chǎng)中包含一個(gè)很亮的背景區(qū)和一個(gè)很暗的前景目標(biāo)，則此時(shí)確定的AGC工作點(diǎn)有可能對(duì)于前景目標(biāo)是不夠合適的，而背光補(bǔ)償功能有可能改善前景目標(biāo)顯示狀況。背光補(bǔ)償方式有兩種，第一，將全部圖像區(qū)域亮度增強(qiáng)，使得前景區(qū)域可以被觀察到（BLC功能）。第二，僅對(duì)前景進(jìn)行亮度控制，背景的亮度保持不變。
5、自動(dòng)增益控制AGC(Auto Gain Control)
所有的攝像機(jī)都有一個(gè)將來(lái)自CCD的信號(hào)放大到可以使用的視頻放大器，其放大即有增益，等效于有較高的靈敏度，可使其在微光下靈敏，然而在強(qiáng)光照的環(huán)境中放大器將過(guò)載，使視頻信號(hào)畸變。為此，需利用攝像機(jī)的自動(dòng)增益控制（AGC）電路去探測(cè)視頻信號(hào)的電平，適時(shí)的開(kāi)啟和關(guān)閉AGC，從而使攝像機(jī)能夠在較大的光照范圍內(nèi)工作，即在低照度時(shí)自動(dòng)增加攝像機(jī)的靈敏度，從而提高圖像信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)獲得清晰的圖像。
6、3D數(shù)碼低照度降噪3D-DNR (3Dimension-Digital Noise Reduction)
3D-DNR噪聲抑制濾波器能夠有效消除噪聲與提升圖像質(zhì)量。能通過(guò)32dB的AGC，使獲得更清晰的圖像（3D：水平X＋垂直Y+時(shí)間T），如圖3所示。
7、無(wú)縫自動(dòng)曝光AE（Auto-Exposure）
自動(dòng)適應(yīng)亮度變化控制的自動(dòng)曝光機(jī)制，可以將高亮的物體變黑，并使暗的物體變亮。
8、數(shù)碼慢快門(mén)DSS（Digital Slow shutter）
數(shù)碼慢快門(mén)又叫幀累積技術(shù)，在信號(hào)處理時(shí)，將多幀圖像累積為一幀再進(jìn)行輸出，用以改善在照度很低的情況下，提升拍攝圖像的亮度，從而提升對(duì)物體的識(shí)別能力。
9、超強(qiáng)光抑制HSBLC(Highlight Suppress Back Light Compensation)
通過(guò)DSS技術(shù)，3D—DNR技術(shù)，AGC控制機(jī)制，在低照度環(huán)境下不僅能使畫(huà)面變得更亮，并能優(yōu)化移動(dòng)物體，降低噪聲，能夠完美應(yīng)用于低照度下的監(jiān)控（如圖4所示）。將輸入信號(hào)放大并自動(dòng)減少低照度下的噪聲后,使攝像機(jī)通過(guò)更低的快門(mén)速度充分曝光并通過(guò)累積幀亮度信號(hào)的方式使圖像更清晰。
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10、寬動(dòng)態(tài)WDR（Wide Dynamic Range）
寬動(dòng)態(tài)（Wide Dynamic Range），簡(jiǎn)單地說(shuō)寬動(dòng)態(tài)就是場(chǎng)景中特別亮的部位和特別暗的部位同時(shí)都能看得特別清楚。寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是攝像機(jī)一直追求的目標(biāo)。
原理：原圖像的主體很暗，而后景較亮但也不甚清楚的狀態(tài)下，通過(guò)高速快門(mén)與低速快門(mén)曝光、底紋修正、內(nèi)部控制及勾邊處理，輸出較清晰的WDR圖像。（寬動(dòng)態(tài)技術(shù)原理如圖5所示）。
寬動(dòng)態(tài)的基本功能是在同一時(shí)間內(nèi)，以不同的曝光速度捕捉到兩幅清晰區(qū)域不同的圖像，在這兩幅圖像中消除其中較差的像素，保留優(yōu)質(zhì)的像素，再將兩者合成在一起。采用這種寬動(dòng)態(tài)技術(shù)原理的攝像機(jī)種類(lèi)有：雙倍速CCD傳感器加上DSP芯片，和普通的CCD加上雙快門(mén)。當(dāng)在強(qiáng)光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過(guò)度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。攝像機(jī)在同一場(chǎng)景中對(duì)最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的，這種局限就是通常所講的“動(dòng)態(tài)范圍”。
技術(shù)展望
CCD寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP（數(shù)字信號(hào)處理）電路，對(duì)明亮部分進(jìn)行最合適的快門(mén)速度曝光，然后再對(duì)暗的部分用最合適的快門(mén)速度曝光，然后將兩個(gè)圖像進(jìn)行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。由于CCD的感光特性所限制，攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)范圍最大僅能到60dB，在技術(shù)上很難再有重大突破。
而由美國(guó)Pixim公司推出的基于CMOS的DPS技術(shù)，已經(jīng)能使寬動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到120dB（松下第二代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍80倍即48dB，第三代160倍即54dB）。在動(dòng)態(tài)范圍上，DPS技術(shù)采用單一像素曝光和ARM7控制技術(shù)，相比于CCD的兩次曝光成像有了更高的動(dòng)態(tài)范圍。從數(shù)值上來(lái)說(shuō)，采用DPS技術(shù)的攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍可到達(dá)95dB，最高可至120dB。在擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)，DPS也解決了CCD傳感器在處理動(dòng)態(tài)范圍和色彩真實(shí)性上的不足，其色彩還原性更加真實(shí)，完全能夠滿足不同條件下不同客戶(hù)的要求。使用這種技術(shù)的攝像機(jī)在數(shù)字圖像傳感器里每一個(gè)像素中都使用了一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），在捕捉到光信號(hào)時(shí)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最大程度上降低了信號(hào)在排列中的衰減和干擾。
需要提出的是，雖然寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了普通攝像機(jī)在光線落中的缺點(diǎn)，但也存在不足。動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度是兩個(gè)矛盾因素，通常動(dòng)態(tài)范圍大的攝像機(jī)其靈敏度較低，而高靈敏度的攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較低。也就是說(shuō)目前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時(shí)完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下的使用狀況并不是太好。這也是目前各生產(chǎn)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)廠家迫切要解決的技術(shù)問(wèn)題。但隨著技術(shù)的不斷提升，這個(gè)困擾廠家的問(wèn)題也將會(huì)迎刃而解。
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