图像传感技术应时代发展正在演进

2016-02-08罗超

中国公共安全 2016年9期

关键词：传感图像处理高清

□ 文/本刊记者罗超

图像传感技术应时代发展正在演进

□ 文/本刊记者罗超

在涉及高清和智能的话题时，我们不得不关注图像传感技术。因为在利用视频数据的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而图像传感技术就是获取自然和生产领域中视频数据的主要途径与手段，其发挥的作用不容小觑。

CMOS迎合高清智能时代发展

图像传感技术是在光电技术基础上发展起来的，利用光电器件的光—电转化功能，将其感光面上的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号图像的一门技术，该技术将光学图像转换成一维时序信号，其关键器件是图像传感器。随着新技术革命的到来，安防行业开始进入高清智能化时代，作为传感器必然也在升级和演进来适应新的市场需要。其实，图像传感器按形态分类一般有两类：线型图像传感器、面型图像传感器。线型图像传感器多用在扫描仪、复印机、传真机等设备中。而面型图像传感器则广泛的应用在我们熟知的监控摄像机、手机摄像头、汽车倒车影像摄像机、平板电脑等产品中。图像传感器有CCD与CMOS芯片两种。早期，我们通常认为图像画质优秀的设备都采用CCD传感器，而低成本产品则使用CMOS传感器。但是新的CMOS芯片技术已经克服了早期CMOS传感器的技术弱点，传感器的设计上相比老产品提升了低照性能、曝光模式等。拿目前流行的背照式CMOS传感器来说，在传统的CMOS图像传感器中，感光二极管位于电路晶体管后方，光线会通过微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管，那么进光量就会因遮挡而受到影响。而反观CCD，其制造工艺复杂，只掌握在少数厂家手中，导致其制造成本居高不下，CCD尺寸每增大一点，成本就呈几何数增长，因此如果监控要走高清智能化，CCD显然发展前景有限。而CMOS最大特点在于其成本低、功耗低。在获得相同像素数的情况下，价格更低，具有很高性价比可以不断朝更高像素、更高分辨率发展，而高清监控对成本是非常敏感的，也因此市面上大部分高清摄像机都采用CMOS。此外，图像传感器还需要与宽动态、自动白平衡、图像的锐利度、以及数字降噪、色彩调整、光线补偿等多方面技术协作。只有在这些综合性能都能够得到很好体现，并且彼此能够相互协调情况下，才可以说是高清智能的真正实现。CMOS与其他图像处理技术的结合要远远超过CCD，动态范围更高，响应速度也更快，更适合高清智能监控的大数据量特点。

毋庸置疑，在高清智能时代，CMOS是主流。

新时代下图像传感器的演进

据统计，目前全世界大约有个40国家从事传感器的研制、开发和生产，研发机构多达600余家，其中以美、德、日、俄等国实力较强。欧洲和北美地区最大和最权威的传感器和传感器系统集成展会要数“SENSOR + TEST”传感器展览会与“SENSORS EXPO”传感器展览交流会，在那汇集欧州与美国的绝大部分传感器与仪表制造厂商，其展出产品在很大程度上代表了当下全球范围内先进传感器的发展趋势。

今年年初，日本松下公司开发出可活用于汽车自动驾驶的新一代高性能图像传感器。在视频监控行业，在夜间行驶时我们希望能看清楚和准确识别信号灯、行人和障碍物等。而一般的图像传感器在遇到前照灯等强烈的光时，图像容易变白，在夜晚无法清晰地区分信号灯的颜色和行人。松下将新开发的传感器材料从之前的硅改为有机材料薄膜。基础技术与富士胶片共同确立。通过自主开发的线路设计降低了从光转换到电气信号时的噪点。此外还调整了电极部分的结构，即使微弱的光线也能够高效吸收。感光度提高至一般产品的100倍，能够看清夜间高速行驶的汽车的车牌号。

无独有偶，索尼也在今年年初推出小型摄像头传感器IMX318。该器件的单位像素大小虽然只有1μm，但是它的夜景不会差于IMX230（1.12μm），同时官方也提供了视频演示。IMX318的特点就是对焦以及视频防抖，在60fps时，它甚至能在0.017秒完成自动对焦，3轴电子防抖也没有对画面进行大幅度的裁剪。这对于视频监控需要的瞬间识别和抓取图像信息的场合将有用武之地。

像三星、德科玛、安森美半导体都在今年推出了新时代下的CMOS图像传感器，虽然目前都只应用在智能手机领域，但参考过往大多视频监控的图像传感技术都是嫁接其他行业前沿技术的先例，估计这些最新的图像传感器在不久的将来也会在视频监控行业大放光彩。

两大最核心的图像传感技术

之前也谈到，要实现高清智能，图像传感器需要与诸多图像传感技术协同合作才能产生价值，对于宽动态、自动白平衡、图像的锐利度、以及数字降噪、色彩调整、光线补偿等多方面技术在本文中不做一一介绍，将在专栏企业投稿中有体现，在这里记者谈两个与图像传感技术有极大关联需要注意的两大方面：

图像处理技术

在图像传感技术中的图像处理在低照度、星光级别产品盛行的当下，引起行业关注。在受恶劣天气（雾、雨、风、光等）和监控系统自身技术条件的限制，视频图像往往达不到理想的效果，图像质量很不稳定，进而导致对识别、取证、事件分析等操作造成困难，使系统无法正常应用。因此，数字图像信号处理的应用越来越广泛，数字信号处理主要作用是对前端图像传感器输出的信号做后期处理，其基本功能有线性纠正、噪声去除、坏点去除、内插、白平衡、自动曝光控制、自动聚焦控制等。现在监控行业中图像传感技术中的图像处理技术的主要还是涉及到下面两个方面：1、经过图像处理还原出人眼感受不到的，但又现实存在的原始信息。公安干警侦破案件需要寻找各种各样的线索，而有时候看起来很不起眼的一点图像信息，可能也会对案件的侦破起到决定性的作用。2、纠正图像中存在的逆光、强光、弱光、偏色等缺陷，还原真实信息。以汽车牌照为例，在监控设备实际应用当中常常会遇到这样的情况，由于车辆的牌照在交通道口经常会受到对面车灯强光等或外部光源的照射，使得摄像机拍摄出来的车牌照片反光，人眼根本无法识别。看不清照片并不是说数字图片中没有车牌号码的颜色信息，而是由于光线的原因（或者说是光污染）使得车牌号码颜色信息被强的亮度信息掩盖掉了。通过监控图像处理技术可以对图像的亮度层进行处理，而把车牌的信息显现出来。同样，对于一些由于逆光、弱光、暗光、偏色或综合因素影响的监控，用图像处理技术同样可以达到很好的效果。

需要指出一点，当前很多高清摄像机直接采用CMOS厂商提供的ISP或者一体化CMOS（内置ISP图像处理器），这些ISP图像处理器可以应付一般的场景，但是对于需要宽动态的场景，处理效果差。而监控系统和消费电子或者广电应用模式不同，在视频监控系统中，被监控对象无法配合摄像机的角度，所以在背光、逆光等情况下，普通的ISP图像处理器则无法提供有效的宽动态图像，从而造成可视图像质量下降。为此，图像传感技术中的宽动态技术需要提升。

宽动态技术

宽动态技术主要用来解决摄像机在宽动态场景中采集的图像出现亮区域过曝而暗区域曝光不够的现象。简而言之，宽动态技术可以使场景中特别亮的区域和特别暗的区域在最终成像中同时看清楚。宽动态技术的实现方式主要有两种：一是使用非线性传感器的单次曝光方案，这类传感器对不同照度的灵敏度表现不同，仅一次曝光即可使采集的图像具备较宽的动态范围；二是基于多帧图像合成的多次曝光方案，不同帧之间的曝光时间有差异，对明亮部分进行短曝光，使高亮度区域的灰阶范围更大，对暗的部分进行长曝光，使低亮度区域的灰阶范围更大，最终多个不同曝光时间的帧合成拥有更宽动态范围的图像。

需要指明宽动态技术在应用上也有局限性。目前市场上主流的多次曝光多帧合成的宽动态技术受限于其实现方式，本身也存在着很多固有的缺陷。一是源自它在高亮区域短曝特征，会导致在日光灯场景下亮区域出现横条纹闪烁，这是常见的日光灯工频引起的闪烁现象，因为在亮区域的曝光时间非常短，没有达到抗闪所需的最低曝光时间；二是源自它在暗区域长曝特征，当物体进行高速运动时会因过长的曝光时间而产生拖影现象。