□ 文/本刊記者 羅超

圖像傳感技術(shù)應(yīng)時代發(fā)展正在演進

□ 文/本刊記者 羅超

在涉及高清和智能的話題時，我們不得不關(guān)注圖像傳感技術(shù)。因為在利用視頻數(shù)據(jù)的過程中，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轉(zhuǎn)換為與光信號成對應(yīng)比例關(guān)系的電信號圖像的一門技術(shù)，該技術(shù)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成一維時序信號，其關(guān)鍵器件是圖像傳感器。隨著新技術(shù)革命的到來，安防行業(yè)開始進入高清智能化時代，作為傳感器必然也在升級和演進來適應(yīng)新的市場需要。其實，圖像傳感器按形態(tài)分類一般有兩類：線型圖像傳感器、面型圖像傳感器。線型圖像傳感器多用在掃描儀、復(fù)印機、傳真機等設(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)控攝像機、手機攝像頭、汽車倒車影像攝像機、平板電腦等產(chǎn)品中。圖像傳感器有CCD與CMOS芯片兩種。早期，我們通常認為圖像畫質(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，傳感器的設(shè)計上相比老產(chǎn)品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS傳感器來說，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，光線會通過微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管，那么進光量就會因遮擋而受到影響。而反觀CCD，其制造工藝復(fù)雜，只掌握在少數(shù)廠家手中，導(dǎo)致其制造成本居高不下，CCD尺寸每增大一點，成本就呈幾何數(shù)增長，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最大特點在于其成本低、功耗低。在獲得相同像素數(shù)的情況下，價格更低，具有很高性價比可以不斷朝更高像素、更高分辨率發(fā)展，而高清監(jiān)控對成本是非常敏感的，也因此市面上大部分高清攝像機都采用CMOS。此外，圖像傳感器還需要與寬動態(tài)、自動白平衡、圖像的銳利度、以及數(shù)字降噪、色彩調(diào)整、光線補償?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，才可以說是高清智能的真正實現(xiàn)。CMOS與其他圖像處理技術(shù)的結(jié)合要遠遠超過CCD，動態(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。

毋庸置疑，在高清智能時代，CMOS是主流。

新時代下圖像傳感器的演進

據(jù)統(tǒng)計，目前全世界大約有個40國家從事傳感器的研制、開發(fā)和生產(chǎn)，研發(fā)機構(gòu)多達600余家，其中以美、德、日、俄等國實力較強。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)集成展會要數(shù)“SENSOR + TEST”傳感器展覽會與“SENSORS EXPO”傳感器展覽交流會，在那匯集歐州與美國的絕大部分傳感器與儀表制造廠商，其展出產(chǎn)品在很大程度上代表了當(dāng)下全球范圍內(nèi)先進傳感器的發(fā)展趨勢。

今年年初，日本松下公司開發(fā)出可活用于汽車自動駕駛的新一代高性能圖像傳感器。在視頻監(jiān)控行業(yè)，在夜間行駛時我們希望能看清楚和準(zhǔn)確識別信號燈、行人和障礙物等。而一般的圖像傳感器在遇到前照燈等強烈的光時，圖像容易變白，在夜晚無法清晰地區(qū)分信號燈的顏色和行人。松下將新開發(fā)的傳感器材料從之前的硅改為有機材料薄膜。基礎(chǔ)技術(shù)與富士膠片共同確立。通過自主開發(fā)的線路設(shè)計降低了從光轉(zhuǎn)換到電氣信號時的噪點。此外還調(diào)整了電極部分的結(jié)構(gòu)，即使微弱的光線也能夠高效吸收。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的車牌號。

無獨有偶，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，但是它的夜景不會差于IMX230（1.12μm），同時官方也提供了視頻演示。IMX318的特點就是對焦以及視頻防抖，在60fps時，它甚至能在0.017秒完成自動對焦，3軸電子防抖也沒有對畫面進行大幅度的裁剪。這對于視頻監(jiān)控需要的瞬間識別和抓取圖像信息的場合將有用武之地。

像三星、德科瑪、安森美半導(dǎo)體都在今年推出了新時代下的CMOS圖像傳感器，雖然目前都只應(yīng)用在智能手機領(lǐng)域，但參考過往大多視頻監(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，估計這些最新的圖像傳感器在不久的將來也會在視頻監(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)生價值，對于寬動態(tài)、自動白平衡、圖像的銳利度、以及數(shù)字降噪、色彩調(diào)整、光線補償?shù)榷喾矫婕夹g(shù)在本文中不做一一介紹，將在專欄企業(yè)投稿中有體現(xiàn)，在這里記者談兩個與圖像傳感技術(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，視頻圖像往往達不到理想的效果，圖像質(zhì)量很不穩(wěn)定，進而導(dǎo)致對識別、取證、事件分析等操作造成困難，使系統(tǒng)無法正常應(yīng)用。因此，數(shù)字圖像信號處理的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字信號處理主要作用是對前端圖像傳感器輸出的信號做后期處理，其基本功能有線性糾正、噪聲去除、壞點去除、內(nèi)插、白平衡、自動曝光控制、自動聚焦控制等?，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方面：1、經(jīng)過圖像處理還原出人眼感受不到的，但又現(xiàn)實存在的原始信息。公安干警偵破案件需要尋找各種各樣的線索，而有時候看起來很不起眼的一點圖像信息，可能也會對案件的偵破起到?jīng)Q定性的作用。2、糾正圖像中存在的逆光、強光、弱光、偏色等缺陷，還原真實信息。以汽車牌照為例，在監(jiān)控設(shè)備實際應(yīng)用當(dāng)中常常會遇到這樣的情況，由于車輛的牌照在交通道口經(jīng)常會受到對面車燈強光等或外部光源的照射，使得攝像機拍攝出來的車牌照片反光，人眼根本無法識別?？床磺逭掌⒉皇钦f數(shù)字圖片中沒有車牌號碼的顏色信息，而是由于光線的原因（或者說是光污染）使得車牌號碼顏色信息被強的亮度信息掩蓋掉了。通過監(jiān)控圖像處理技術(shù)可以對圖像的亮度層進行處理，而把車牌的信息顯現(xiàn)出來。同樣，對于一些由于逆光、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)同樣可以達到很好的效果。

需要指出一點，當(dāng)前很多高清攝像機直接采用CMOS廠商提供的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)付一般的場景，但是對于需要寬動態(tài)的場景，處理效果差。而監(jiān)控系統(tǒng)和消費電子或者廣電應(yīng)用模式不同，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，被監(jiān)控對象無法配合攝像機的角度，所以在背光、逆光等情況下，普通的ISP圖像處理器則無法提供有效的寬動態(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)中的寬動態(tài)技術(shù)需要提升。

寬動態(tài)技術(shù)

寬動態(tài)技術(shù)主要用來解決攝像機在寬動態(tài)場景中采集的圖像出現(xiàn)亮區(qū)域過曝而暗區(qū)域曝光不夠的現(xiàn)象。簡而言之，寬動態(tài)技術(shù)可以使場景中特別亮的區(qū)域和特別暗的區(qū)域在最終成像中同時看清楚。寬動態(tài)技術(shù)的實現(xiàn)方式主要有兩種：一是使用非線性傳感器的單次曝光方案，這類傳感器對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間有差異，對明亮部分進行短曝光，使高亮度區(qū)域的灰階范圍更大，對暗的部分進行長曝光，使低亮度區(qū)域的灰階范圍更大，最終多個不同曝光時間的幀合成擁有更寬動態(tài)范圍的圖像。

需要指明寬動態(tài)技術(shù)在應(yīng)用上也有局限性。目前市場上主流的多次曝光多幀合成的寬動態(tài)技術(shù)受限于其實現(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，會導(dǎo)致在日光燈場景下亮區(qū)域出現(xiàn)橫條紋閃爍，這是常見的日光燈工頻引起的閃爍現(xiàn)象，因為在亮區(qū)域的曝光時間非常短，沒有達到抗閃所需的最低曝光時間；二是源自它在暗區(qū)域長曝特征，當(dāng)物體進行高速運動時會因過長的曝光時間而產(chǎn)生拖影現(xiàn)象。

結(jié)束語

圖像傳感技術(shù)應(yīng)時代需求正在變革和演進，尤其是高清智能時代，CMOS無疑是最主流的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態(tài)這兩個最為核心的方面。如此一來，圖像傳感技術(shù)才能為實時監(jiān)控、畫面調(diào)用、細節(jié)瀏覽、智能分析等提供堅實基礎(chǔ)，大大提升整個監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用價值。