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模拟摄像机高清晰度的实现原理与测量
2010-10-23 8:23:09
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核心摘要:在监控摄像机的不断发展过程中,业界就一直致力于不断推动摄像机产品在清晰度和低照度(高信噪比)等图像性能的提高,以及在在单个产品中集成越来越多的功能。摄像机图像DSP芯片上集成更多的功能为摄像机带来了显著的成本及性能优势,摄像机的性能得到了不断地提高。市场上一些有自主芯片级研发能力的厂家基于其高性能DSP推出了高清晰度(≥600TVL)的摄像机产品。

    在监控摄像机的不断发展过程中,业界就一直致力于不断推动摄像机产品在清晰度和低照度(高信噪比)等图像性能的提高,以及在在单个产品中集成越来越多的功能。摄像机图像DSP芯片上集成更多的功能为摄像机带来了显著的成本及性能优势,摄像机的性能得到了不断地提高。市场上一些有自主芯片级研发能力的厂家基于其高性能DSP推出了高清晰度(≥600TVL)的摄像机产品。以下我们以三星的A1高清DSP及其A1系列摄像机为例,简单地介绍一下高清晰度复合视频的生成原理。

    要说清晰度,首先我们要明确一下清晰度的定义。清晰度是指影像上各细部影纹及其边界的清晰程度。计量单位是“电视行(TVLine)”也称线。彩色电视信号的有效垂直垂直分辨率是固定的,为575电视线。评价不同模拟摄像机的清晰度的区别,一般对比“水平分辨率”这个指标。水平分辨率简单通俗地说,就是与画面垂直方向高度相同的水平幅度内,可以分辨出的黑白垂直线个数指标。此时,白色和黑色垂直线分别算作一条线。

 

■ 清晰度指标的测量

 

复合视频清晰度的测试方法(EIAJ CP-3201)

    1、直读法:拍摄 EIAJ清晰度Chart后(有效画面满屏拍摄),输入到高清晰度B/W监视器上,用肉眼读取 Pattern上可以区分部位的数字。

    2、仪器测量:将图像信号连接到示波器上,测定清晰度测试图部分的波形,波形无歪曲、振幅超过5%以上的部分认定为清晰度。 (见图1)

 

600TVL

图1

    现在以三星A1系列600线高清摄像机为例,介绍高清晰度模拟视频图像的实现原理:

    传统单片CCD模拟摄像机的水平清晰度指标,主要受应用的CCD有效像素及处理电路性能所限制。

 

CCD对摄像机水平清晰度的影响

    基于造价及成本考虑,在安防监控摄像机上应用最多的CCD感光1/3寸SUPER-HAD CCD有效像素为752*582,在不作任何特殊处理时,可能输出的水平清晰度为:752*3/4=564TVL , 加上D/A转换及不同DSP的性能,最终形成了现在市场上大量的480TVL、520TVL、540TVL的不同水平清晰度的监控摄像机产品。少数有摄像机及摄像机DSP综合自主研发能力的厂家生产了600TVL以上的监控摄像机产品。

 

摄像机CCD光学低通滤波器(OLPF)对图像细节的影响

    人眼的感光区域是有限的,而摄像机CCD的感光区域在不作处理的情况下要比人眼宽一些,主要是体现在波长更短的(频率更高)红外线区域,而红外线无处不在。(见图2)

    要摄像机彩色图像正确的还原人眼的视觉感觉,必须要使光线进入CCD之前,滤除人眼所看不到的红外线,让可见光通过。所以彩色摄像机CCD前安装有光学低通滤波器(OLPF)。光学低通滤波器的理想滤波曲线是非常陡峭,而实际上到现在为止我们非常难以做到理想滤波曲线的OLPF,所以,不同厂家的OLPF,体现出来的滤波效果,有很大的差异。较好的OLPF,可以通过更多更宽频带的可见光。

 

图2

图2

    传统监控摄像机使用的一般光学低通滤波器(OLPF),由于滤波曲线不能够做得很陡峭,为了保证进入CCD的光线能够有效滤除,这些OLPF的截止频率较低,但同时也牺牲了一部分接近红外光的有效可见光线。为了适应较高清晰度图像的拍摄需求。尽可能增加通过镜头进入CCD的可见光细节,A1系列高清摄像机采用了光学滤波特性更陡峭,截止频率更高的低损耗OLPF(见图3)。

 

图3

图3

摄像机图像DSP对水平清晰度的影响:

    在CCD获取图像信号以后,CCD是输出一个模拟的视频信号。该信号还不能直接送出摄像机供视频监控使用,而是通过A/D转换器,将CCD的模拟信号转换为图像数字信号,再送到图像处理DSP进行一系列的加工修饰处理的,从而还原出更真实的视频图像。在摄像机图像DSP的内部,是分别单独对亮度信息(Y)和色度信息(C)进行运算处理,处理后的结果通过加法放大器输出监控常用的复合视频信号。而反映图像细节信息的,主要是Y信号。

    为了将CCD输出信号中的Y信号分离,采用了 相邻像素之间取平均的方法 。此时,如下图所示,Y信号中的高频率成分,受到抑制。而三星A1系列摄像机采用的DSP,通过内部特有的自适应Y信号滤波器,动态优化调整Y信号滤波曲线,将Y信号里的高频部分最大化保留,提高了Y信号的有效带宽,为提高摄像机清晰度创造了前提。详细见图4

图4

图4

DSP超高清晰度图像特殊处理

    为了进一步提高和还原图像信号的细节,A1 DSP芯片不是对原始帧(n)的图像数据进行单一处理,而是结合原始帧的前一帧(n-1)及后一帧(n+1)的图像数据进行比较,通过复杂运算处理。

这样的图像运算处理方法有两个好处:

    1、可以通过特殊的算法去除图像数据上关于CCD的固有热噪音。

    2、如图五所示,特殊的帧处理有提高采样频率的效果(如类似于3CCD摄像机的效果),提高摄像机视频图像细节的表现能力。(参考文献:①)

 

图5

图5

    通过以上几种特殊方法的有机结合,A1芯片摄像机可以输出600TVL的高清晰视频输出信号。

 

■ 小结

 

    传统模拟摄像经过多年发展,已近到了一个较为成熟的阶段。在成熟传统技术的基础上作出进一步提高,实现模拟摄像机高清晰度复合视频输出,需要有实力的生产厂家对摄像机加入新的图像处理技术,并各方面性能进行有效整合和优化。

    高性能的模拟摄像机,让用户可以更清晰地对有关区域进行有效现场监控和录像,大大提高了监控系统的整体质量和直接用户体验满意水平。

    根据IMS调查显示:模拟监控在未来三年中的模拟摄像机的市场占有的绝对值还是远高于网络摄像机,所以模拟摄像机高清技术的发展在未来几年中还是有着非常现实的意义。

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参考文献:

①:HIGH RESOLUTION DIGITAL ZOOM USING TEMPORAL IIR FILTER

IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 42, No. 3, AUGUST 1996

 

 

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