Проблема динамічного діапазону
Динамічний діапазон може бути істотно збільшений для спеціального застосування камер, наприклад для наукових або астрономічних досліджень, шляхом охолодження CCD і застосування спеціальних систем зчитування й обробки. Однак такі методи, будучи дуже дорогими, не можуть використовуватися широко.
Інший альтернативний встановлений режим роботи використовує нелінійне перетворення у вигляді логарифмічною функції або її апроксимації для стиснення 60 дБ вихідного сигналу CCD до діапазону в 8 біт. Зазвичай такі методи пригнічують деталі зображення.
Типові рішення
Застосовуються різні комбінації цих двох технологій, але найбільш поширена - перша.
Для отримання одного оптимального зображення з декількох використовується 2 методу:
- паралельне відображення двома або більше датчиками зображення, сформованого загальної оптичною системою. У цьому випадку кожен датчик захоплює різну частину динамічного діапазону сцени за рахунок різного часу експонування (накопичення), різного оптичного ослаблення в індивідуальному оптичному тракті або за рахунок використання датчиків різної чутливості;
- послідовне відображення зображення єдиним датчиком з різними часом експонування (накопичення). В крайньому випадку проводиться принаймні два відображення: одне з максимальним, а інше - з більш коротким часом накопичення.
Послідовне відображення, як найбільш просте рішення, зазвичай використовується в промисловості. Тривале накопичення забезпечує видимість найбільш темних частин об'єкта, однак найяскравіші фрагменти можуть не опрацьовуватися і навіть призводити до насичення фотоприймача. Картинка, що отримується з малим накопиченням, адекватно відображає світлі фрагменти зображення, не опрацьовуючи темні області, що знаходяться на рівні шуму. Сигнальний процесор зображення камери об'єднує обидві картинки, беручи яскраві частини від "короткій", а темні частини від "тривалої" картинки. Алгоритм комбінації, що дозволяє створювати гладке зображення без шва, досить складний, і ми не будемо тут його стосуватися.
Сучасні технічні рішення
У сучасних камерах для розширення динамічного діапазону на основі отримання двох зображень в основному застосовуються матриці Sony подвійного сканування (Double Scan CCD) ICX 212 (NTSC), ICX213 (PAL) і спеціальні процесори для обробки зображення, наприклад SS-2WD або SS-3WD. Примітно, що такі матриці неможливо виявити в асортименті SONY і не всі виробники вказують на їх використання. На рис. 1 схематично представлений принцип подвійного накопичення. Час вказано за форматом NTSC.
З діаграм видно, що якщо типова камера накопичує поле 1/60 с (PAL-1/50 с), то камера WDR становить поле з двох зображень, отриманих шляхом накопичення, за 1/120 с (PAL-1/100 с) для мало освітлених деталей і за період від 1/120 до 1/4000 с для сильно освітлених деталей. На фото 1 представлені кадри з різним експонуванням і результат підсумовування (обробки) режиму WDR.
Системи формування зображення PIXIM, засновані на технології DPS, складаються з цифрового сенсора зображення і процесора обробки зображення. У сучасних цифрових сенсорах використовується квантування в 14 і навіть в 17 біт. Відносно невисока чутливість, як основний недолік CMOS-технології, характерна і для DPS. Типова чутливість камер цієї технології
1 лк. Типове значення відносини сигнал / шум для формату 1/3 "становить 48-50 дБ. Заявляється максимальний динамічний діапазон - до 120 дБ з типовим значенням 90-95 дБ. Можливість регулювання часу накопичення для кожного пікселя матриці сенсора дозволяє при формуванні зображення використовувати такий унікальний метод обробки сигналу, як метод вирівнювання локальних гістограм, що дозволяє різко підвищити інформативність зображення. Технологія дозволяє повністю компенсувати засвічення фону, виділити деталі, оцінити просторове становище об'єктів і деталей, що знаходяться не тільки на передньому, але і на задньому плані зображення. На фото 3, 4 і 5 наведені кадри, отримані типовий CCD-камерою і камерою PIXIM.