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CMOS成像器件可以有4種基本的輸出模式，即線性輸出模式、雙斜率輸出模式、對(duì)數(shù)特性輸出模式、校正輸出模式。這幾種模式的動(dòng)態(tài)范圍相差很大，因而采用不同輸出模式的CMOS攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍及其特性也有較大區(qū)別。

為更加擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，還可以根據(jù)實(shí)際需要將上述的兩種輸出模式進(jìn)行組合。例如，采用線性-對(duì)數(shù)（lin-log）輸出模式，開始時(shí)輸岀隨圖像亮度呈正比例增加（線性響應(yīng)），當(dāng)亮度信號(hào)超過某給定閾值后，輸出即呈對(duì)數(shù)響應(yīng)，如圖1所示。

圖1 IM28-SA的光電特性曲線

圖1中所示的中間曲線為加拿大Dalsa公司生產(chǎn)銷售的IM28-SA型CMOS超寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的光電特性曲線，這樣的線性-對(duì)數(shù)響應(yīng)的輸出模式可使CMOS攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍能高達(dá)120dB。線性-對(duì)數(shù)輸出模式的光電響應(yīng)，木僅擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，還可防止圖像滯后與克服圖像的重影。

超寬動(dòng)態(tài)范圍的輸岀模式除線性-對(duì)數(shù)輸出模式外，還有前述的CMOS-DPS攝像機(jī)的數(shù)字像素系統(tǒng)模式。例如，2005年10月，池上公司采用Pixim的DPS成像技術(shù)推出的超寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)ISD-A10，其動(dòng)態(tài)范圍典型值是95dB，最大能達(dá)120dB，并具有非常好的色彩還原和清晰度。

一、CMOS攝像機(jī)與CCD攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)性能的比較

CMOS攝像機(jī)與CCD攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)性能的比較如表1所示。

表1 CMOS攝像機(jī)與CCD攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)性能的比較

類型 寬動(dòng)態(tài)范圍 功耗 清晰度 成本 最低照度 色彩還原性 圖像質(zhì)量

CCD 最大66dB 高 好 高 低 差，蒼白 較差

CMOS 最大120dB 低 好 低 較低 好，真實(shí) 層次豐富

 

由表1可看出，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)并不是CCD攝像機(jī)獨(dú)有的，由于CCD的感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)將會(huì)有突岀的表現(xiàn)，可以說未來的監(jiān)控?cái)z像機(jī)都會(huì)有寬動(dòng)態(tài)功能，而超寬動(dòng)態(tài)技術(shù)將屬于CMOS攝像機(jī)。因?yàn)镃CD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)大多用二次曝光得出的像素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出圖像中所有像素的色調(diào)信息。這樣，雖然增大了圖像中最亮色調(diào)與最暗色調(diào)的比值，但卻大大犧牲了中間色調(diào)的成像效果；并且該方法需要雙倍的內(nèi)存。為消除這種額外的內(nèi)存開銷，采用二次曝光技術(shù)的很多產(chǎn)品不得不將垂直分辨率減少為一半。這種方法雖然提升了動(dòng)態(tài)范圍，但卻犧牲了圖像的真實(shí)分辨率和色彩精確度，其圖像總是看起來很蒼白，好像褪色了一樣。

雖然，隨著CCD的不斷發(fā)展，松下公司、索尼公司分別推出第三代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)（如松下WV-CP480L、索尼SSC-DC578P），它們的典型寬動(dòng)態(tài)范圍也僅為54dB。CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)目前最好的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方式是5次取樣方式，如JVC公司的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)TK-WD310EC，但最大動(dòng)態(tài)范圍最多也只能為66dB。

而CMOS-DPS攝像機(jī)則對(duì)每個(gè)像素取樣，它可使每個(gè)像素的曝光時(shí)間不同，從而使同一畫面不同部分的曝光時(shí)間不盡相同，因此整幅圖像的任意點(diǎn)，都可達(dá)到最佳圖像顯示的狀態(tài)，能得到清晰的圖像細(xì)節(jié)，從而更加接近真實(shí)場(chǎng)景的色彩還原。

圖2所示為使用二次曝光技術(shù)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的Panasonic的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)與Pixim公司的CMOS-DPS攝像機(jī)拍攝的圖像的對(duì)比，顯然，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)所攝畫面蒼白，其色彩精準(zhǔn)度和圖像質(zhì)量都不如Pixim的CMOS-DPS攝像機(jī)好。

圖2 采用二次曝光技術(shù)的CCD攝像機(jī)和CMOS-DPS攝像機(jī)拍攝的圖像對(duì)比

由圖2可看出，CMOS-DPS攝像機(jī)可以通過其超強(qiáng)的寬動(dòng)態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖像，即可以達(dá)到比CCD更真實(shí)、更清晰的圖像。在動(dòng)態(tài)范圍上，DPS采用的單一像素曝光和ARM7控制技術(shù)，相比于CCD的兩次或多次曝光成像有了更寬的動(dòng)態(tài)范圍（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用戶的要求。

由于Pixim的DPS技術(shù)的每一像素都有自己的A/D轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的信息被獨(dú)立地捕捉和處理，每一個(gè)像素在其攝像機(jī)內(nèi)都起到了作用。在圖像傳感器的像素排列位置上，每一個(gè)像素的曝光時(shí)間被調(diào)節(jié)去處理獨(dú)特的光條件?；贒PS系統(tǒng)平臺(tái)制造的一個(gè)攝像機(jī)實(shí)質(zhì)上都有成千上萬(wàn)個(gè)獨(dú)立攝像單元，每個(gè)攝像單元都盡可能創(chuàng)作出最好的圖像。這些圖像然后被結(jié)合起來就可創(chuàng)造一幀高質(zhì)量的視頻畫面。