\r\n從30年前發(fā)展至今，CCD圖像傳感器從最初簡單的8像數(shù)位移寄存器到現(xiàn)在，已具有數(shù)百萬至上千萬像數(shù)。而采用CCD技術(shù)的攝像機一路走來，今天仍以技術(shù)完善、成像質(zhì)量、分辨率、靈敏度等優(yōu)勢，成為高端監(jiān)控攝像機市場的主力軍。但是近幾年來，采用另一種傳感技術(shù)CMOS的攝像機，也在以低成本、功耗小等特點奮力追趕CCD。\r\n然而，此次擂臺賽還未見分曉，如今又殺出一種新概念的圖像傳感和處理系統(tǒng)——DPS。此種技術(shù)在1990年由美國斯坦福大學(xué)的幾位教授提出，在經(jīng)過十幾年的發(fā)展和完善后，至今日形成了一個不同于傳統(tǒng)CCD傳感器的數(shù)字圖像傳感和處理系統(tǒng)（Digital Pixel System）。\r\n對于DPS未來的應(yīng)用市場，擁有此技術(shù)專利的美國Pixim公司副總裁Todd E. Rockoff博士指出：“最近一連串恐怖爆炸事件將極大地推動高端安全監(jiān)控市場的發(fā)展，這對采用DPS技術(shù)的攝像機市場前景有一個非常正面的影響?！盶r\n那么將來，到底誰會登上攝像機市場的頭把交椅？是CCD還是DPS，或者是另有其他？本期話題，我們特邀了JVC（中國）投資有限公司的張智勇、慧友電子有限公司的鐘紀(jì)祥、PELCO的閆毅、景陽智能的張波以及天下數(shù)碼的韓冰，來探討此話題。讓我們一起分享他們的精辟見解！

DPS現(xiàn)在還屬于應(yīng)用早期，目前不會取代CCD
DPS英文全稱Digital pixel system，即數(shù)字像素系統(tǒng)，這是一種新型的成像器，是成像技術(shù)的突破。
與傳統(tǒng)CCD相比，DPS最明顯的特點是在寬動態(tài)范圍上。由于DPS的核心是在采集的每一個圖像像素中都含有一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這樣成像器直接輸出的是關(guān)于每個像素的數(shù)字信號。而CCD成像器輸出的還是模擬信號，從其模擬信號到DSP數(shù)字處理過程的時間要比DPS長。所以DPS大大節(jié)省了信號的無效傳輸，將像素陣列的信號衰減和串?dāng)_降低到最小，做到了更好的降噪。另外，DPS采用的是高速無損多次采用技術(shù)，每一個像素獨自確立自己的曝光時間，在本質(zhì)上相當(dāng)于幾十萬個攝像機同時進行操作，而不象CCD由整個場景的平均亮度決定曝光時間進行操作，后者會導(dǎo)致明亮處曝光過度，黑暗處曝光不足。正因如此，DPS的寬動態(tài)范圍最高可達到120dB。
其次，DPS的優(yōu)點還表現(xiàn)在集成度和電耗上。DPS包括圖像傳感器和圖像處理器，集成度很高，體積小。而CCD集成度相對較低，體積較大。另一方面，DPS在主芯片電路幾乎沒有靜態(tài)電量損耗，CCD卻由于電路復(fù)雜，需要外部控制信號和時鐘信號來獲得滿意的電荷轉(zhuǎn)移效率，還需要多個電源和電壓調(diào)節(jié)器，因此功耗大。不過從目前來看，CCD還是有一定的優(yōu)勢，表現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展比較成熟，圖像具有高靈敏度和較寬的溫度范圍，市場認(rèn)可和接受度較高。
值得關(guān)注的是，在當(dāng)前的監(jiān)控領(lǐng)域中，已經(jīng)產(chǎn)生了一種在Pixim DPS基礎(chǔ)上采用SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）成像處理技術(shù)的攝像機。其大大提高了運算速度，給用戶提供了定制的圖像質(zhì)量，以及多種預(yù)定義的圖像配置文件和多個附加的用戶自定義文件，如高清晰度、寬動態(tài)、室內(nèi)、室外、窗口、賭場等。并且在保證色彩再生方面提供了多種白平衡選項，保證了在不同色溫環(huán)境下的色彩還原性……
目前，DPS做為一種新型的技術(shù)已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用在監(jiān)控領(lǐng)域，并由于其卓越的寬動態(tài)性能和色彩再生能力使其應(yīng)用范圍變得更為廣泛。特別針對于光線條件比較苛刻的地方，比如銀行的進出口、ATM取款機、高速公路的收費站、車輛進出口、建筑物出入口走廊、娛樂場所、港口碼頭等具有挑戰(zhàn)性光照條件下的應(yīng)用。舉例說明，目前國內(nèi)很多高速收費站大都采用的是1/2英寸的CCD成像器，其成像靶面大，通光量大，視野角度大，但價格昂貴。DPS由于成品率高，制造成本低，加之其優(yōu)質(zhì)的強光處理能力，在此方面基本可以替代傳統(tǒng)的CCD。
不過，總的來說，DPS現(xiàn)在還屬于應(yīng)用早期，目前不會取代CCD。但DPS圖像傳感器主要朝著高分辨率、高動態(tài)范圍、高靈敏度、超微型化、數(shù)字化、多功能化的方向發(fā)展，以小型化和低功耗DPS圖像傳感器為核心的攝像機將會成為監(jiān)控產(chǎn)品的主流，為圖像傳感器市場帶來巨大的發(fā)展。

DPS在原理上屬于CMOS工藝改良器件的一種
DPS在原理上屬于CMOS工藝改良器件的一種。CMOS器件是一種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)名稱，也是其制造工藝的名稱，它的中文名稱是“互補性氧化金屬半導(dǎo)體”，是利用硅和鍺兩種元素制成的半導(dǎo)體器件，在其上共存著帶N（帶－電）和P（帶+電）級的半導(dǎo)體，隨著外接觸發(fā)極控制量的變化，讀取其中互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流，即可解碼，輸出成影像。JVC公司在2003年底推出了采用該類型器件的攝像機，目前市面上推廣的一些鈣類產(chǎn)品（DPS）在性能及原理上與JVC的TK-WD310EC基本相同。
據(jù)筆者所知，利用CMOS結(jié)構(gòu)制作感光器件的探索已經(jīng)有很多年的歷史了，現(xiàn)在應(yīng)用已經(jīng)非常普及了，例如電腦城里滿柜臺的USB小攝像頭就是此技術(shù)的應(yīng)用。由于這些產(chǎn)品應(yīng)用的是低端CMOS器件，此類攝像頭給用戶極壞的印象，圖像動態(tài)范圍很窄，照度范圍不適當(dāng)，很容易造成曝光過度或曝光不足；而且分辨率較低，噪波較大。
經(jīng)過對CMOS本身的改良及應(yīng)用電路的優(yōu)化，該器件現(xiàn)在的表現(xiàn)已經(jīng)有了很大的提高，例如CANON公司的EOS 1D MARKⅡ和SONY公司的DCR-PC1000E攝像機，前者是價值2萬余元的專業(yè)數(shù)碼照相機，后者是最新的、價值萬元的民用3片感光器件攝錄一體機。
從當(dāng)前的應(yīng)用中去分析，CMOS器件的優(yōu)點是顯而易見的：
首先，CMOS是一種傳統(tǒng)工藝，生產(chǎn)流程簡單，成品率、產(chǎn)量高，使得理論上價格低廉。其二，集成度高，相同性能要求下可以制造出微型化攝像機，相同尺寸下可以制造出更高的分辨率，甚至可以將驅(qū)動電路直接做在感光器件上，相對比較節(jié)省空間。其三，靈敏度高，由于是逐像素輸出（IT CCD是逐行輸出），加之期間集成度很高，所以一般在每個像素上直接制作一個前置放大電路，就地放大，在消除了拖尾及開花效應(yīng)的同時，其原始靈敏度可以做到很高。另外，運行速度快，其最大輸出速度是CCD的5倍以上；電力消耗低，約為CCD的1/3到1/8……
不過，至目前為止，CMOS器件仍存在著一些不足：期間本身的原始動態(tài)范圍較小，比CCD還要小一點；其次，熱噪波高，由于集成度高、結(jié)構(gòu)特殊，早期低端產(chǎn)品極易受溫度影響，不過高端產(chǎn)品在此方面有了很大的改進；另有關(guān)鍵的一點是怕靜電，電子行業(yè)內(nèi)的前輩曾經(jīng)依據(jù)其英文發(fā)音和易被靜電燒毀的現(xiàn)象起了一個外號——“誰摸（誰）死”，很是形象。
然而，總結(jié)以上方面，相對于CMOS來說，現(xiàn)有的CCD器件劣勢還是比較明顯。雖然其具有極高的信噪比、很強的感光靈敏度和良好的動態(tài)范圍，但CCD生產(chǎn)過程復(fù)雜、產(chǎn)量低、成品率低，價格貴。為了克服CCD的不足，因此人們才研發(fā)和推出了新型的CMOS影像傳感器。
為了讓CMOS圖像傳感器技術(shù)發(fā)揮更加卓越的性能，國內(nèi)也有一批研發(fā)隊伍。如復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、國防科技大學(xué)等院所，部分廠商也開展了CMOS圖像傳感器的設(shè)計、研制和應(yīng)用開發(fā)等工作。
作為新興的感光器件，在經(jīng)過多年的探索后開始成熟，未來CCD將與CMOS并存一段時間，除非CCD在工藝上和性能上能夠有較大幅度的提高，否則，筆者個人認(rèn)為，其終將被CMOS器件取代，就象當(dāng)年攝像管被CCD取代一樣。


越來越多的攝像機制造商開始發(fā)展DPS技術(shù)的攝像機
DPS技術(shù)稱之為數(shù)字像素處理系統(tǒng)（Digital Pixel System），與CCD不同，DPS是純數(shù)字的圖像拾取和處理系統(tǒng)。在當(dāng)今如火如荼的數(shù)字化進程中，視頻監(jiān)控領(lǐng)域也勢不可擋地從模擬向數(shù)字化發(fā)展，同樣，在監(jiān)控的前端，DPS技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，也使傳統(tǒng)的模擬攝像機進入到了一個數(shù)字化的時代，實現(xiàn)了從模擬到數(shù)字的產(chǎn)品交替。
從目前看，DPS技術(shù)存在著明顯的優(yōu)勢：
其一，傳輸時間短。CCD攝像機在圖像的采集、處理和輸出過程中需要經(jīng)過多次的信號轉(zhuǎn)換，存在傳輸時間長，轉(zhuǎn)換噪聲大，視頻信號衰減等缺陷。而DPS攝像機包含一組數(shù)字的圖像傳感器和數(shù)字的圖像處理器。其核心技術(shù)是在數(shù)字圖像傳感器的每一個像素上集成了一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），每個數(shù)字圖像傳感器的ADC在捕捉到光信號時直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從傳感器到輸出的過程中，單幀圖像獲取時間僅需0.8毫秒，最大限度地減少了無效的轉(zhuǎn)換，降低了噪音和衰減。
其二，CCD攝像機在采集一幅圖像的過程中通常只對整個圖像采樣1次，獲取的圖像會出現(xiàn)不同程度明亮的區(qū)域曝光過度、較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。采用DPS技術(shù)的攝像機在采集一幅圖像時，系統(tǒng)可對每個像素進行多次單獨無損失采樣，成像系統(tǒng)控制每個像素的最佳采樣時間，在每個像素達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息，最終可同時獲取場景中明亮及陰暗區(qū)域詳細(xì)的圖像信息。
其三，模擬人眼與大腦，圖像傳感器和圖像處理器具有雙向?qū)崟r互動性。DPS攝像機在圖像的攝取和處理過程類似于人眼和大腦的關(guān)系，負(fù)責(zé)圖像的處理和運算的同時，不斷向圖像傳感器下達指令，不僅調(diào)整曝光時間而且改變實際的圖像捕捉算法。最終，在特定的圖像特征和光照下，獲得最佳的圖像效果。
其四，更寬的動態(tài)范圍和更真實的色彩再現(xiàn)。采用DPS技術(shù)的攝像機，通過其特有的數(shù)字采樣和數(shù)字處理，得到比CCD攝像機更寬的動態(tài)范圍（CCD的動態(tài)范圍最大為60dB，DPS可達到120dB），更加接近真實場景的色彩還原。在單一圖像中曝光達數(shù)十萬像素，即使在最苛刻的光照條件下，也可捕捉到清晰、逼真的圖像，再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。
其五，DPS攝像機內(nèi)嵌強大軟件平臺，NTSC/PAL制式兼容，DPS攝像機打破了傳統(tǒng)的地域界限；線纜補償、線鎖調(diào)整、更寬的白平衡范圍，使原本復(fù)雜的使用、調(diào)整、偏色等問題變得迎刃而解；內(nèi)嵌軟件可在前端攝像機上實現(xiàn)諸如視頻移動偵測、區(qū)域放大、報警的輸入輸出等功能，通過前端的采樣和處理，可大大減少后端設(shè)備由于干擾和信號傳輸衰減等而產(chǎn)生的誤動作；遠程攝像機的設(shè)置調(diào)整及數(shù)字變焦功能也使應(yīng)用變得簡單；同樣數(shù)字化的信號輸出直接提供給高清顯示設(shè)備或編碼壓縮芯片，減少信號轉(zhuǎn)換過程的衰減，得到更加真實的圖像。
隨著DPS技術(shù)的發(fā)展，越來越多的資深攝像機制造商開始發(fā)展DPS技術(shù)的攝像機，這包括一些業(yè)界知名企業(yè)如Pelco、GE、BAXALL、JVC、Honeywell、Sunell景陽?；贒PS技術(shù)的平臺可以提供更廣泛、更智能化的應(yīng)用，使原本復(fù)雜的系統(tǒng)變得簡單有效，通過攝像機軟件的開發(fā)和應(yīng)用，就可實現(xiàn)包括門禁監(jiān)控、面部識別、動作跟蹤、智能交通、IP攝像機等的系統(tǒng)集成。隨著成像技術(shù)向全數(shù)字系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，DPS技術(shù)勢必為高質(zhì)量的視頻監(jiān)控解決方案奠定了圖像捕捉和處理的堅實基礎(chǔ)。


DPS在特殊應(yīng)用方面占有一席之地
近年來，攝像機的技術(shù)獲得了飛快的發(fā)展，特別在監(jiān)控領(lǐng)域中，隨著人們對視頻質(zhì)量的更高要求，一些突破傳統(tǒng)技術(shù)的新技術(shù)也呼之而出。基于美國PIXIM 公司的DPS專利技術(shù)的圖像傳感器，采用革命性的設(shè)計理念，將先進的微處理技術(shù)與影像處理技術(shù)加以結(jié)合，傳感器內(nèi)部集成了32位的Arm7 控制核心，精確控制每一個像素點的曝光時間，使畫面可以達到突破性的95db 動態(tài)范圍。
DPS圖像傳感器一經(jīng)推出，就立即引起各大攝像機制造商的注意，并相繼推出基于DPS技術(shù)的多款攝像機產(chǎn)品，如BAXALL的Hyper-D系列、GE的Ultraview、Honeywell 的HCCWD484、臺灣慧友公司的EQ600 WDII系列。這些攝像機因其出色的動態(tài)范圍和不錯的圖像畫質(zhì)，被廣泛用在道路交通監(jiān)控、車輛監(jiān)控和車牌識別、影像識別和自動追蹤等領(lǐng)域。
但從目前來看，與傳統(tǒng)CCD傳感器件相比，DPS除了表現(xiàn)出其優(yōu)秀的動態(tài)范圍，以及在極限光線條件下能獲取穩(wěn)定清晰的圖像等明顯優(yōu)勢外，某些方面還需要去改良，例如靈敏度、畫質(zhì)等方面。另外，現(xiàn)階段CCD還有它本身的一些優(yōu)勢。
首先，CCD技術(shù)發(fā)展歷史悠久，已形成了一套完整的理論和先進成熟的制造工藝，以及各式各樣的產(chǎn)品和應(yīng)用，各大廠商如Sony、三星、松下、SHARP的持續(xù)投入和開發(fā)，使得CCD傳感器的畫質(zhì)和性能得到了很好的提升，這些方面成為目前DPS傳感器需要努力的空間。另外，CCD的寬動態(tài)攝像機技術(shù)也在以往的基礎(chǔ)上進行了很大改善，如松下和三星公司的產(chǎn)品。
其次，近年來CCD的技術(shù)發(fā)展也較快，有些功能也在不斷提高。因消費類電子產(chǎn)品數(shù)碼相機的迅速普及，導(dǎo)致各大廠商不斷推出600萬、700萬、800萬甚至1000萬像素的CCD產(chǎn)品，以及高集成度、多功能、高性能的影像處理DSP芯片，這些也推動了安防用攝像機的發(fā)展，有些先進技術(shù)被應(yīng)用于監(jiān)控攝像機，如SONY早期用于攝錄一體機的SS-1M系統(tǒng)。
綜上所述，DPS技術(shù)作為一項新興的圖像傳感技術(shù)，在獲得傳統(tǒng)CCD無法達到的寬動態(tài)以及極限環(huán)境情況下的良好圖像外，可能在一些特殊應(yīng)用方面，如車牌識別、模式識別等，能占一席之地。但現(xiàn)階段，CCD傳感器件憑借其不錯的攝像品質(zhì)和高速發(fā)展的技術(shù)和工藝水平將會繼續(xù)是傳統(tǒng)攝像機、消費用數(shù)碼像機以及娛樂用DV的首選。


某些方面，DPS技術(shù)已經(jīng)遠遠優(yōu)于CCD技術(shù)
據(jù)筆者了解，所謂“DPS數(shù)字圖像傳感和處理系統(tǒng)”是一種純數(shù)字化的圖像拾取系統(tǒng)，它包含兩個方面：圖像傳感器和圖像處理器。DPS的核心技術(shù)是在每一個拾取的像素上都包含一個ADC（analongtodigited數(shù)模轉(zhuǎn)換器），在捕捉到光信號時，直接將其放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最大限度地減小了模擬信號傳輸操作所產(chǎn)生的噪聲。
相對于CCD技術(shù)，DPS技術(shù)的優(yōu)點有以下幾個方面：
1．器件在本地進行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最大限度地減小了模擬信號傳輸操作所產(chǎn)生的噪聲。傳導(dǎo)時變成了數(shù)字信號，一般認(rèn)為數(shù)字信號傳輸無噪聲。
2．每個像素都有一個ADC，每個像素的信息都是獨立捕捉和處理的，同時使用了一個CPU處理芯片控制其每個像素的曝光時間，并使得?！獢?shù)轉(zhuǎn)換更精確。傳感器可在曝光周期內(nèi)對每個像素的光線進行多次和高速采樣，同時控制每個像素的曝光時間，在其達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息，在這個過程中，每個像素都經(jīng)過了多次無破壞性的單獨采樣。因此有多少個像素，就有多少個ADC。
3．每個像素的曝光時間都可以不相同，所以同一幅照片不同部分的曝光時間完全可以不盡相同，因此整幅圖象的任意點都可以達到最佳圖象顯示狀態(tài)。因此圖象可以趨于更合理。
4．在動態(tài)范圍上，相比于CCD的兩次曝光成像有了更高的動態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，CCD傳感器的最大動態(tài)范圍為60dB，而采用DPS技術(shù)的攝像機的動態(tài)范圍可達到95dB，最高可至120dB。另外，在擴大動態(tài)范圍的同時，DPS也解決了CCD傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，完全能夠滿足不同條件下不同客戶的要求。
5．DPS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢在于它本身的功能優(yōu)勢。除了最突出的寬動態(tài)范圍表現(xiàn)上，另外，在像素被采集后，系統(tǒng)再對其進行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像；DPS系統(tǒng)形成的圖像的水平和垂直分辨率保持一致，在任何角度都可以保證圖像的高分辨率。
綜上所述，DPS的優(yōu)勢將使攝像機具備更寬的動態(tài)范圍，便于捕捉目標(biāo)，和監(jiān)視宏大的現(xiàn)場；并可以得到清晰的圖像細(xì)節(jié)，利于細(xì)小的物象監(jiān)控；其智能化光學(xué)處理系統(tǒng)，將遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的CCD。
不過，由于CCD技術(shù)開發(fā)較早，并且已經(jīng)穩(wěn)定生產(chǎn)，因此成本相對教低，這一點從產(chǎn)品的售價可得到反映；所以在短期內(nèi)DPS技術(shù)不會取代CCD技術(shù)。但是需要指出的是，現(xiàn)階段在某些方面，DPS技術(shù)已經(jīng)遠遠優(yōu)于CCD技術(shù)，可以實現(xiàn)特定的要求?？梢韵嘈?，隨著時間的推移，DPS技術(shù)將會更加完善，成本將會降得更低，會大量地?fù)屨糃CD產(chǎn)品的市場份額。