□ 文/本刊記者 羅超

圖像傳感技術(shù)應(yīng)時(shí)代發(fā)展正在演進(jìn)

□ 文/本刊記者 羅超

在涉及高清和智能的話(huà)題時(shí)，我們不得不關(guān)注圖像傳感技術(shù)。因?yàn)樵诶靡曨l數(shù)據(jù)的過(guò)程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而圖像傳感技術(shù)就是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中視頻數(shù)據(jù)的主要途徑與手段，其發(fā)揮的作用不容小覷。

CMOS迎合高清智能時(shí)代發(fā)展

圖像傳感技術(shù)是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用光電器件的光—電轉(zhuǎn)化功能，將其感光面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光信號(hào)成對(duì)應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)圖像的一門(mén)技術(shù)，該技術(shù)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號(hào)，其關(guān)鍵器件是圖像傳感器。隨著新技術(shù)革命的到來(lái)，安防行業(yè)開(kāi)始進(jìn)入高清智能化時(shí)代，作為傳感器必然也在升級(jí)和演進(jìn)來(lái)適應(yīng)新的市場(chǎng)需要。其實(shí)，圖像傳感器按形態(tài)分類(lèi)一般有兩類(lèi)：線(xiàn)型圖像傳感器、面型圖像傳感器。線(xiàn)型圖像傳感器多用在掃描儀、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等設(shè)備中。而面型圖像傳感器則廣泛的應(yīng)用在我們熟知的監(jiān)控?cái)z像機(jī)、手機(jī)攝像頭、汽車(chē)倒車(chē)影像攝像機(jī)、平板電腦等產(chǎn)品中。圖像傳感器有CCD與CMOS芯片兩種。早期，我們通常認(rèn)為圖像畫(huà)質(zhì)優(yōu)秀的設(shè)備都采用CCD傳感器，而低成本產(chǎn)品則使用CMOS傳感器。但是新的CMOS芯片技術(shù)已經(jīng)克服了早期CMOS傳感器的技術(shù)弱點(diǎn)，傳感器的設(shè)計(jì)上相比老產(chǎn)品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS傳感器來(lái)說(shuō)，在傳統(tǒng)的CMOS圖像傳感器中，感光二極管位于電路晶體管后方，光線(xiàn)會(huì)通過(guò)微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管，那么進(jìn)光量就會(huì)因遮擋而受到影響。而反觀CCD，其制造工藝復(fù)雜，只掌握在少數(shù)廠(chǎng)家手中，導(dǎo)致其制造成本居高不下，CCD尺寸每增大一點(diǎn)，成本就呈幾何數(shù)增長(zhǎng)，因此如果監(jiān)控要走高清智能化，CCD顯然發(fā)展前景有限。而CMOS最大特點(diǎn)在于其成本低、功耗低。在獲得相同像素?cái)?shù)的情況下，價(jià)格更低，具有很高性?xún)r(jià)比可以不斷朝更高像素、更高分辨率發(fā)展，而高清監(jiān)控對(duì)成本是非常敏感的，也因此市面上大部分高清攝像機(jī)都采用CMOS。此外，圖像傳感器還需要與寬動(dòng)態(tài)、自動(dòng)白平衡、圖像的銳利度、以及數(shù)字降噪、色彩調(diào)整、光線(xiàn)補(bǔ)償?shù)榷喾矫婕夹g(shù)協(xié)作。只有在這些綜合性能都能夠得到很好體現(xiàn)，并且彼此能夠相互協(xié)調(diào)情況下，才可以說(shuō)是高清智能的真正實(shí)現(xiàn)。CMOS與其他圖像處理技術(shù)的結(jié)合要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)CCD，動(dòng)態(tài)范圍更高，響應(yīng)速度也更快，更適合高清智能監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量特點(diǎn)。

毋庸置疑，在高清智能時(shí)代，CMOS是主流。

新時(shí)代下圖像傳感器的演進(jìn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界大約有個(gè)40國(guó)家從事傳感器的研制、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，研發(fā)機(jī)構(gòu)多達(dá)600余家，其中以美、德、日、俄等國(guó)實(shí)力較強(qiáng)。歐洲和北美地區(qū)最大和最權(quán)威的傳感器和傳感器系統(tǒng)集成展會(huì)要數(shù)“SENSOR + TEST”傳感器展覽會(huì)與“SENSORS EXPO”傳感器展覽交流會(huì)，在那匯集歐州與美國(guó)的絕大部分傳感器與儀表制造廠(chǎng)商，其展出產(chǎn)品在很大程度上代表了當(dāng)下全球范圍內(nèi)先進(jìn)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

今年年初，日本松下公司開(kāi)發(fā)出可活用于汽車(chē)自動(dòng)駕駛的新一代高性能圖像傳感器。在視頻監(jiān)控行業(yè)，在夜間行駛時(shí)我們希望能看清楚和準(zhǔn)確識(shí)別信號(hào)燈、行人和障礙物等。而一般的圖像傳感器在遇到前照燈等強(qiáng)烈的光時(shí)，圖像容易變白，在夜晚無(wú)法清晰地區(qū)分信號(hào)燈的顏色和行人。松下將新開(kāi)發(fā)的傳感器材料從之前的硅改為有機(jī)材料薄膜?；A(chǔ)技術(shù)與富士膠片共同確立。通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的線(xiàn)路設(shè)計(jì)降低了從光轉(zhuǎn)換到電氣信號(hào)時(shí)的噪點(diǎn)。此外還調(diào)整了電極部分的結(jié)構(gòu)，即使微弱的光線(xiàn)也能夠高效吸收。感光度提高至一般產(chǎn)品的100倍，能夠看清夜間高速行駛的汽車(chē)的車(chē)牌號(hào)。

無(wú)獨(dú)有偶，索尼也在今年年初推出小型攝像頭傳感器IMX318。該器件的單位像素大小雖然只有1μm，但是它的夜景不會(huì)差于IMX230（1.12μm），同時(shí)官方也提供了視頻演示。IMX318的特點(diǎn)就是對(duì)焦以及視頻防抖，在60fps時(shí)，它甚至能在0.017秒完成自動(dòng)對(duì)焦，3軸電子防抖也沒(méi)有對(duì)畫(huà)面進(jìn)行大幅度的裁剪。這對(duì)于視頻監(jiān)控需要的瞬間識(shí)別和抓取圖像信息的場(chǎng)合將有用武之地。

像三星、德科瑪、安森美半導(dǎo)體都在今年推出了新時(shí)代下的CMOS圖像傳感器，雖然目前都只應(yīng)用在智能手機(jī)領(lǐng)域，但參考過(guò)往大多視頻監(jiān)控的圖像傳感技術(shù)都是嫁接其他行業(yè)前沿技術(shù)的先例，估計(jì)這些最新的圖像傳感器在不久的將來(lái)也會(huì)在視頻監(jiān)控行業(yè)大放光彩。

兩大最核心的圖像傳感技術(shù)

之前也談到，要實(shí)現(xiàn)高清智能，圖像傳感器需要與諸多圖像傳感技術(shù)協(xié)同合作才能產(chǎn)生價(jià)值，對(duì)于寬動(dòng)態(tài)、自動(dòng)白平衡、圖像的銳利度、以及數(shù)字降噪、色彩調(diào)整、光線(xiàn)補(bǔ)償?shù)榷喾矫婕夹g(shù)在本文中不做一一介紹，將在專(zhuān)欄企業(yè)投稿中有體現(xiàn)，在這里記者談兩個(gè)與圖像傳感技術(shù)有極大關(guān)聯(lián)需要注意的兩大方面：

圖像處理技術(shù)

在圖像傳感技術(shù)中的圖像處理在低照度、星光級(jí)別產(chǎn)品盛行的當(dāng)下，引起行業(yè)關(guān)注。在受惡劣天氣（霧、雨、風(fēng)、光等）和監(jiān)控系統(tǒng)自身技術(shù)條件的限制，視頻圖像往往達(dá)不到理想的效果，圖像質(zhì)量很不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)識(shí)別、取證、事件分析等操作造成困難，使系統(tǒng)無(wú)法正常應(yīng)用。因此，數(shù)字圖像信號(hào)處理的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，數(shù)字信號(hào)處理主要作用是對(duì)前端圖像傳感器輸出的信號(hào)做后期處理，其基本功能有線(xiàn)性糾正、噪聲去除、壞點(diǎn)去除、內(nèi)插、白平衡、自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)聚焦控制等?，F(xiàn)在監(jiān)控行業(yè)中圖像傳感技術(shù)中的圖像處理技術(shù)的主要還是涉及到下面兩個(gè)方面：1、經(jīng)過(guò)圖像處理還原出人眼感受不到的，但又現(xiàn)實(shí)存在的原始信息。公安干警偵破案件需要尋找各種各樣的線(xiàn)索，而有時(shí)候看起來(lái)很不起眼的一點(diǎn)圖像信息，可能也會(huì)對(duì)案件的偵破起到?jīng)Q定性的作用。2、糾正圖像中存在的逆光、強(qiáng)光、弱光、偏色等缺陷，還原真實(shí)信息。以汽車(chē)牌照為例，在監(jiān)控設(shè)備實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中常常會(huì)遇到這樣的情況，由于車(chē)輛的牌照在交通道口經(jīng)常會(huì)受到對(duì)面車(chē)燈強(qiáng)光等或外部光源的照射，使得攝像機(jī)拍攝出來(lái)的車(chē)牌照片反光，人眼根本無(wú)法識(shí)別?？床磺逭掌⒉皇钦f(shuō)數(shù)字圖片中沒(méi)有車(chē)牌號(hào)碼的顏色信息，而是由于光線(xiàn)的原因（或者說(shuō)是光污染）使得車(chē)牌號(hào)碼顏色信息被強(qiáng)的亮度信息掩蓋掉了。通過(guò)監(jiān)控圖像處理技術(shù)可以對(duì)圖像的亮度層進(jìn)行處理，而把車(chē)牌的信息顯現(xiàn)出來(lái)。同樣，對(duì)于一些由于逆光、弱光、暗光、偏色或綜合因素影響的監(jiān)控，用圖像處理技術(shù)同樣可以達(dá)到很好的效果。

需要指出一點(diǎn)，當(dāng)前很多高清攝像機(jī)直接采用CMOS廠(chǎng)商提供的ISP或者一體化CMOS（內(nèi)置ISP圖像處理器），這些ISP圖像處理器可以應(yīng)付一般的場(chǎng)景，但是對(duì)于需要寬動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景，處理效果差。而監(jiān)控系統(tǒng)和消費(fèi)電子或者廣電應(yīng)用模式不同，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，被監(jiān)控對(duì)象無(wú)法配合攝像機(jī)的角度，所以在背光、逆光等情況下，普通的ISP圖像處理器則無(wú)法提供有效的寬動(dòng)態(tài)圖像，從而造成可視圖像質(zhì)量下降。為此，圖像傳感技術(shù)中的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)需要提升。

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)主要用來(lái)解決攝像機(jī)在寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中采集的圖像出現(xiàn)亮區(qū)域過(guò)曝而暗區(qū)域曝光不夠的現(xiàn)象。簡(jiǎn)而言之，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)可以使場(chǎng)景中特別亮的區(qū)域和特別暗的區(qū)域在最終成像中同時(shí)看清楚。寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一是使用非線(xiàn)性傳感器的單次曝光方案，這類(lèi)傳感器對(duì)不同照度的靈敏度表現(xiàn)不同，僅一次曝光即可使采集的圖像具備較寬的動(dòng)態(tài)范圍；二是基于多幀圖像合成的多次曝光方案，不同幀之間的曝光時(shí)間有差異，對(duì)明亮部分進(jìn)行短曝光，使高亮度區(qū)域的灰階范圍更大，對(duì)暗的部分進(jìn)行長(zhǎng)曝光，使低亮度區(qū)域的灰階范圍更大，最終多個(gè)不同曝光時(shí)間的幀合成擁有更寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像。

需要指明寬動(dòng)態(tài)技術(shù)在應(yīng)用上也有局限性。目前市場(chǎng)上主流的多次曝光多幀合成的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)受限于其實(shí)現(xiàn)方式，本身也存在著很多固有的缺陷。一是源自它在高亮區(qū)域短曝特征，會(huì)導(dǎo)致在日光燈場(chǎng)景下亮區(qū)域出現(xiàn)橫條紋閃爍，這是常見(jiàn)的日光燈工頻引起的閃爍現(xiàn)象，因?yàn)樵诹羺^(qū)域的曝光時(shí)間非常短，沒(méi)有達(dá)到抗閃所需的最低曝光時(shí)間；二是源自它在暗區(qū)域長(zhǎng)曝特征，當(dāng)物體進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)因過(guò)長(zhǎng)的曝光時(shí)間而產(chǎn)生拖影現(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)

圖像傳感技術(shù)應(yīng)時(shí)代需求正在變革和演進(jìn)，尤其是高清智能時(shí)代，CMOS無(wú)疑是最主流的sensor，而圖像傳感技術(shù)要大力發(fā)展，也需要解決圖像處理和寬動(dòng)態(tài)這兩個(gè)最為核心的方面。如此一來(lái)，圖像傳感技術(shù)才能為實(shí)時(shí)監(jiān)控、畫(huà)面調(diào)用、細(xì)節(jié)瀏覽、智能分析等提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，大大提升整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。