如何为视频监控应用选择合适的图像传感器

作者：Aptina Imaging公司 Cliff Cheng

欢迎访问e展厅 展厅 1 视频监控系统展厅 视频监控, 夜视仪, 摄像机,... 无论在极亮还是极暗条件下，监控摄像机都可清晰记录人的面孔，这有赖于图像传感器的高动态范围。采用高性能图像传感器将能够进一步提升视频监控系统的实用价值，达到理想的使用效果。 视频监控应用需要图像传感器具备较大的动态范围，以保证在明暗环境下均可以得到清晰的图像；同时需要足够快的帧速，以满足对快速运动对象的监控需要。此外，为了减少或消除图像拖尾现象，图像传感器技术的发展趋势之一是进一步解决快门问题。具体应用中，高质量的CMOS图像传感器因为其成本优势和不输于甚至更优于CCD传感器的性能，已在日益兴起的网络摄像机应用中获得更多采用。 网络摄像机兴起催生对高性价比CMOS传感器的需求 传统的监控摄像机市场由闭路电视(CCTV)主导，CCTV系统需要使用电荷耦合器件(CCD)图像传感器、图像信号处理器(ISP)和专有的专用集成电路(ASIC)。随着新技术的发展，以及设计要求的不断变化，在监控摄像机市场，网络摄像机(IP Camera)越来越流行。与CCTV比较，网络摄像机有其若干优势。比如不再有NTSC/PAL分辨率标准的限制，在网络摄像机中，百万像素图像传感器的使用也越来越广泛，从而带来更好的图像效果。一个网络摄像机需要的典型元件包括一个图像传感器、一个ISP、一个编解码器(压缩/解压)处理器，以及网络处理器。现在，许多处理器和ASIC都集成了诸如ISP、H.264编解码器、系统管理和以太网MAC接口等功能。 在传统的CCTV市场，CCD图像传感器是主流，而在网络摄像机中，互补金属氧化物半导体 (CMOS)传感器因其更高的性价比而被广泛使用。和CCD传感器比较，CMOS传感器图像性能稍差一些，但成本与功耗更低，帧速率更高。目前CCD和CMOS之间的性能差距在逐渐缩小，而CMOS传感器集成度更高，还可降低整个监控系统的成本。在一个基于CCD的摄像机中，系统需要一个CCD成像器、一个定时脉冲发生器、一个信号放大器、一个ISP和一个NTSC/PAL编码器。相反，在CMOS摄像机中，采用SOC芯片设计，所有这些元件都可以被集成在一个单芯片CMOS传感器上，从而节省系统成本，降低功耗。由于性价比的优势，CMOS传感器在图像监控领域的应用越来越广泛。 网络摄像机发展的另一个主要趋势是采用宽动态范围(WDR)。没有宽动态范围，图像很可能曝光过度或曝光不足，导致图像不可使用。宽动态范围技术解决了摄像机在极暗、极亮环境下捕捉图像的难题，使摄像机能够被放置在几乎任何地方。 此外，在网络摄像机解决方案中，具备视频分析功能也开始变得越来越重要。视频分析指的是一系列的智能化视频技术，通过采用一组基于规则或基于启发式的视频处理算法来分析实时视频流，以侦测特定事件。视频分析以前需要在服务器上运行，如今以嵌入式解决方案的形式在摄像机内部即可运行。随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的处理能力提高，过去只能在服务器上运行的算法现在能被整合到摄像机系统中， 它们可以作为在处理器、DSP上运行的软件，或者是作为一个专用IP内核FPGA。 Aptina的百万像素成像器在网络摄像机中被广泛使用，其性能高，帧速高达720P与1080P 60帧/秒。在标准视频帧速下，弱光灵敏度可达1/2 lx。尽管标准视频帧速为30fps，但60fps的帧速让摄像机制造商能够场景内快速移动的物体，比如交通监控摄像头中对超速车辆违章的监控、取证。另外，像在赌场这样的应用场合，也需要高视频帧速的视频监控，以获取必要的证据来指证作弊者。 选择图像传感器时的主要考虑因素 实际应用中，监控摄像机常常会碰到场景极亮和极暗的情况。为了能够在这些极端环境中捕捉信息，图像传感器一般不得不针对其中一种极端条件进行优化，代价则是另一种条件下的性能被降低。因此，设计一个在所有场景条件下都能够达到最佳工作状态的图像传感器是挑战之一。由于摄像机中的图像传感器必须能够捕捉亮和暗场景下的信息，这就明确意味着需要更大的全阱容(FW)容量和更高的灵敏度，然而灵敏度提高又会直接影响到传感器的FW容量、最大可能信噪比(SNR)，以及总动态范围(DR)。 对于大于2微米的像素，由于它的光敏面较大，故其FW容量常常由光电二极管的电荷保持能力而不是像素的电压摆幅来决定。为了提高该像素的电荷保持能力，通常是在浮动扩散(FD)节点上连接一个物理电容器。不过，这样做一般会导致转换增益(CG)下降，这也就意味着灵敏度减小，输入参考读取噪声增加，尽管传感器有能力测试出更大的信号，但弱光灵敏度和传感器的DR也随之受到影响。 扩展动态范围的方法有多种，其关注点主要是如何在内部场景条件下获得宽动态范围，但它不能提高弱光灵敏度，更谈不上完全解决该问题，也不能降低噪声改进弱光图像捕捉性能。因此，一种与众不同的方案应运而生，它通过在传感器中增加高灵敏度工作模式来提升场景间的动态范围和传感器性能。于是，两种工作模式被整合到一个像素设计中：低转换增益(LCG)模式，用于明亮场景下实现大负荷处理能力；高转换增益(HCG)模式，具有更高的灵敏度和低读取噪声，用于弱光场景。这种方案可为监控摄像机提供众多优势，让图像传感器在极端弱光条件下也能够捕捉图像/视频，同时又不牺牲亮光条件下的性能。 虽然现在摄像机的图像分辨率在不断增加，但像素的动态范围却随像素尺寸的缩小而减小，从而限制了生成光影自然分布的逼真图像的能力。因此多种实现宽动态范围的不同像素方案相继推出，其中包括对数像素、横向溢出、帧多重曝光(ME)及帧内多重曝光(IFME)等。 这些实现宽动态范围的方法都旨在获得高的内部场景动态范围，这意味着一个场景内的暗区域和亮区域都可以被正确曝光。其实现方法通常是利用多重曝光方案对一个图像进行多次曝光或多次帧捕捉，或者是利用一种非线性信号处理方式来降低更大曝光量下像素的响应度。这些技术一般都能够在一个图像中获得大于100dB的超高动态范围，这对许多应用都非常有用，比如，即使场景其余部分被阳光或闪光照射，监控摄像机也可以清晰记录人的面孔。 高内部场景动态范围也带来一些缺点。例如非线性像素的色彩再现能力和弱光灵敏度都很差，而固定图案噪声(FPN)却较高。ME技术不仅需要额外的存储器和后处理，还会降低近曝光转变点的SNR，并且在一次时序中捕捉到的曝光量会产生运动伪影，故而需要额外的运动补偿和极高的帧速，以满足视频应用的需求。 但最重要的是，上面这些宽动态范围技术不能提高弱光灵敏度或减小噪声，改进弱光条件下的图像捕捉性能。因此，出现了一种不同却又与宽动态范围技术不相冲突的方案，这种方案的焦点放在场景间动态范围上，在已有大负荷处理能力的像素中增加了一个单独的高灵敏度工作模式，其被称为动态响应像素技术，或Aptina DR-Pix技术。这种技术需要连接像素FD节点的电容器在受控条件下开/关，为此在像素中增加了一个被称为双转换增益(DCG)开关的晶体管。 在亮光条件下成像时，这个DCG开关导通，连接物理电容器与FD节点。采用这种方法，FD节点的大电容被用于实现LCG模式，该模式可处理大量的信号电荷。在弱光条件下，DCG信号关断，断开电容器与FD节点，进入HCG模式，在像素内部提供额外的模拟增益。此时FD电容只是FD的pn结扩散和金属耦合产生的寄生电容，比物理电容小得多，从而致使转换增益和灵敏度得以大大提高，读取噪声降低，代价是最大负荷处理能力减小。 这种方案能够在弱光场景下提供高灵敏度和低读取噪声，在亮光场景下提供大负荷处理能力，所有这些功能都融入于一个像素设计中，从而实现极宽的场景间动态范围。该方案虽然并没有扩展某种场景的动态范围，但通过增加HCG模式，弱光条件下传感器的照明范围被扩大。对于那些必须常常在弱光条件下捕捉视频的监控应用，这无疑是一项巨大的优势。 Aptina DR-Pix与多重曝光技术 在从超亮到超暗场景的所有亮度条件下捕捉高质量的60fps HD视频是非常具挑战性的任务。过去，百万像素传感器可以提供宽动态范围或出色的弱光灵敏度，但无法二者兼顾。Aptina采用Aptina DR-Pix技术与多重曝光宽动态范围成像技术而设计的最新HD百万像素传感器把两者融合在了一起。这种技术通过在所有像素上实现全域可编程转换增益调节，来匹配场景中的所有不同光照程度。结合真正的相关两次采样技术，它可以让Aptina的 MT9M003 HD成像器实现小于2e- rms的极低读取噪声和超过60%的领先量子效率。 为了获得大于100db的出色宽动态范围，Aptina成像器采用了一种多重曝光技术。相比把全阱划分为好几个部分的传统横向溢出方法，Aptina的多重曝光系统充分利用了每个像素的全部FW容量，从而使多重曝光技术成为抑制光晕模糊现象的最佳方法。为了进一步完善Aptina的多重曝光宽动态范围系统，设计人员又增加了特殊的读出和处理方案，以减少场景中快速运动物体造成的典型的宽动态范围运动伪影。Aptina HD传感器整合了Aptina DR-Pix技术来提供60fps的HD视频，这种帧速让摄像机制造商能够灵活地采用不同的快门宽度来捕捉场景内快速移动的物体。利用这种技术，摄像机设计人员不再需要在速度、功耗、宽动态范围和弱光性能之间进行折衷权衡，就能够创建出真正的HD摄像机。 解决快门问题是近期图像传感技术的发展方向 虽然宽动态范围技术让摄像机安置在任何地方都能够顺利工作，并解决了在极暗和极亮区域的环境下捕捉图像的相关难题，但监控摄像机还必须解决快门问题，以减少或消除图像拖尾现象。CMOS传感器采用历史悠久的列并行读出架构，该架构中，同一行的像素被同时读出，因此CMOS图像传感器在执行快门操作时选择了被称为电子快门装置的滚动快门技术，通过对不同像素行在不同时间曝光来实现整体曝光，以满足早期电视架构发送串行数据的需求。 CCD图像传感器中通常采用的全域快门像素技术具有很大优势，比如通过全帧同时图像捕捉消除滚动快门伪影。不过，全域快门像素的使用需要额外的像素级存储器，这是阻碍全域快门获广泛采纳的原因之一。 目前，CMOS图像传感器提供商正在通过解决以下众多技术领域的问题来缩小滚动快门与全域快门这两种方案之间的性能差距，包括填充因子/量子效率(QE)、全域快门效率(GSE)以及暗电流。在解决这些问题的过程当中，CMOS图像传感器供应商会提供像素尺寸更小、填充因子更大、GSE更高、暗电流更低、噪声更小的全域快门像素技术，以更快更好地推动CMOS图像传感器取代CCD图像传感器。 结论 随着图像传感器技术的演进，再加上业内像Aptina这样的公司长期以来一直致力于解决为监控市场提供高性价比、高性能图像解决方案时遇到的各种难题，未来CMOS图像传感器将在安防监控摄像机市场发挥更大的作用，而且在类似WDR、Aptina DR-Pix等技术的帮助下，CMOS传感器也将给安防摄像机设计师提供更多设计灵活性和可能性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/3/2011)