宽动态的三种芯片组合你知道吗?
当网络摄影机不断的往百万像素迈进时,所使用的感光元件也正面临改革的命运。在成就高画质的同时,更为物美价廉的CMOS已经渐渐取代CCD,成为大部分百万像素网络摄影机的新宠,然而,这两种感光元件的技术在低照度或宽动态的环境下,始终无法展现其价值,所幸,宽动态摄影机结合了CMOS与DSP的技术,走上了基情的道路。
目前,结合CMOS与DSP两种技术的宽动态摄影机,已渐渐主导整个安控市场,其中具有宽动态功能的摄影机,价格上往往较具有竞争力。从松下开发其第一支宽动态摄影机起,宽动态技术目前已经进展到第3代,称为“TrueWDR”——信噪比需要高于100,这样的话,足以应付所有宽动态的光差环境。
宽动态技术快速的发展,在安控市场更显得举足轻重。在这样的条件背景下,宽动态仍需步步为营,未来才能有稳健的市场。目前大部分宽动态摄影机主要都是靠“两个影像合并”而显像,因此摄影机所使用的DSP如果没有好的影像处理效能,可能会导致影像回復不佳、色差过大、成像模煳或是解析度不足等问题,于是,了解宽动态的技术与应用,是越来越重要的课题。
何谓宽动态?
许多使用者并不清楚什么是真正的宽动态、误解宽动态的功能,甚至很多製造商对宽动态下了不同的定义,而忘却宽动态的本质。
很多时候,一家厂商所定义的一个宽动态名词,往往和另一家厂商所解释的技术相去甚远,就像digitalWDR或TrueWDR,每家厂商都有不同解释。简单的说,WDR就是能够同时清楚地显示摄影机所捕捉到最亮与最暗的画面;换句话说,WDR可以将背光在高反差的情境下,重新调整影像画质到完美的境界。
当一道强光源(阳光、光线或反光)与其投影或背光,和其他照度较低的区域,同时在一个画面显像时,强光区就会过度曝光,而呈现一团白光的影像,相对地,照度较低的区域常因为曝光不够,反而会有一堆黑影,这两种情形都将产生品质低劣的画面。摄影机在光差大的环境下,成像的品质往往有所侷限,侷限范围即是所谓的“动态范围”。
使用宽动态要学会取捨,在成像的过程中,主要诉求为“降低杂讯”和“强化有用讯号”,而宽动态最明显的权衡即是杂讯与手动微调的功夫,透过降低杂讯可以达成宽动态,但仍需仰赖手动微调做适当的强化。
此外,宽动态可以定义为一个影像中“最亮与最暗区域的相对比例”,因此这不会是一个绝对值,而是一个相对值。该比例可以用“信噪比”表示,一般传统的摄影机信噪比为10,而宽动态摄影机信噪比为48,两者间差了38dB。目前第3代宽动态摄影机信噪比可以达到95dB,以现有的技术,信噪比大概介于120~130dB。
宽动态的主要芯片组合
宽动态技术主要採用了3种不同的感光芯片与处理器的组合,以达成其处理光差大的效能。感光元件是影响宽动态功能非常重要的元素,摄影机的宽动态范围即是取决于感光元件的效能。因此,处理器与感光芯片的採用就相当重要;假如我们採用旧型的ISP搭载新的宽动态感光器时,宽动态的功能将无法展现最大的效益。
透过叁种不同的芯片组合,宽动态技术将有进一步的进展。过去一般传统摄影机对于处理不同背光条件的影像,往往採用的技术包括:低照度、滤镜、偏光技术、自动对焦与背光补偿,但这些技术目前已不敷使用。宽动态能弥补上述各种技术的不足,也能超越上述各种技术的效能。以下简单介绍叁种不同的芯片组合方式:
1.CCDSensor+DSP
这种宽动态即是所谓的数码宽动态,其所采用的是“多重曝光”,主要结合短时间与长时间的曝光速度。
第一道曝光是将所捕捉到的较亮画面,作细部的处理,让影像能够更逼真的呈现,处理过的画面将存在摄影机的暂存区;第二次曝光将针对较暗的影像做处理,该影像也是让成像显得清楚易见,其储存位置与第一道曝光影像相同。当两次曝光的影像再经由影像处理器做更精緻的画面修饰后,再合成两张影像,交叠成最终画面。
2.CMOSSensor+DPS
该技术是源自Pixim所开发的影像捕捉系统,该系统源于90年代的CMOS,叫作数码像素系统(DigitalPixelSystem,DPS)。
这种宽动态是结合ARM7CPU的控制技术,将每一个像素做“单独曝光”。比起多重曝光技术,DPS能做的宽动态范围较具弹性。
从信噪比的功能来看,这种组合的信噪比能够达到95dB,有的甚至可以达到120dB。该种技术所使用的DPS,能够解决CCD所面临的问题,如画面颜色失真或有限的影像处理效能,而该技术能够重製逼真的颜色,较能符合安控实际应用。
CMOS+DPS的组合可比喻为眼睛与头脑的运作,允许影像处理器和感光元件有双向与即时的互动。当DPS在处理影像时,它可以同时传送讯号到感光元件上,这不仅可以改善曝光时间,也可以改善影像捕捉时的运算时间,以达到较好的影像运算效能。因此,该组合对于处理光差大的环境,其所提供的画面会较逼真、完整。
DPS将每一个曝光的像素结合,每一个像素都是一组完整的运算迴路,有效缩小影像像素的感光面积,曝光的面积变小,也就提升了摄影机的敏感度。
3.SonyEffio-P
相较于前两项的组合,SonyEffio宽动态有更实际的应用。Effio-P两年前由Sony推出,Effio-P能够结合最新的感光元件并支援双核CCD,以有效达成trueWDR,让摄影机能够有效处理高光差的背光环境,以呈现清楚的影像。
宽动态并非万能
不同的芯片组合将产生不同的影像效果,摄影机前端使用好的感光芯片,不代表就能达成最佳的宽动态效果,效能的好坏主要仍取决于后端的影像处理系统。
另一个影响的元素是结合CMOS的韧体,如果感光芯片一样,但ISP或DSP的组合如果不同,宽动态的展现也会有所不同。可以透过韧体改善ISP的运算效能,而提升影像,但最明显的差别还是有赖于其所用的硬体。
有些厂商也会开发其他的芯片,来解决影像处理功能,如大华以FPGA芯片来提升影像品质。因此,为确保有好的宽动态效能,厂商必须有好的设