淺談監(jiān)控攝像機(jī)的降噪

文/周志高

圖像噪聲的來源

CCD、CMOS的工作原理

大家都知道現(xiàn)用的監(jiān)控攝像機(jī)一般都是采用CCD與CMOS感光元器件作為核心成像部件的。都是通過感光二極管的光電效應(yīng)采集圖像的。感光二極管在受到一定的光照后就會產(chǎn)生輸出電流，光照強(qiáng)度與電流強(qiáng)度對應(yīng)。但在周邊元器件上CCD與COMS的組成是不一樣的。CCD因為只能產(chǎn)生模擬信號所以在被后端DSP進(jìn)行圖像處理前是要進(jìn)行統(tǒng)一的A/D轉(zhuǎn)換的。而CMOS本身在每個像素部分都自帶一個A/D轉(zhuǎn)換所以每個像素感光元器件所占的像素點的面積比CCD要小很多，所要在同等的光照條件下，CCD比CMOS可接收更強(qiáng)的光信號，對應(yīng)輸出電信號與更大，后端的攝像機(jī)成像也更清晰。

圖像噪聲的種類

因為不論是CCD還是CMOS所產(chǎn)生的電信號還是很微弱的，無法達(dá)到后端DSP芯片處理的要求，所以兩者都需要對原始進(jìn)行一個放大過程。CCD是采集后再統(tǒng)一放大處理的方式與CMOS的單個像素進(jìn)行放大后統(tǒng)一輸出是完全不同的。所以CCD產(chǎn)生的噪聲比例要比CMOS的單個像素點參差不齊的放大效果產(chǎn)生的噪聲要更少。

但這兩種感光元器件所產(chǎn)生的噪聲卻都可以統(tǒng)一分成兩種。一種是固有噪聲，一種是隨機(jī)噪聲。在監(jiān)控行業(yè)內(nèi)主要做的降噪處理主要是這兩種。

固定噪聲：即感光元器件已知的噪聲像素點產(chǎn)生的像素。

隨機(jī)噪聲：即在采集的原始信號在轉(zhuǎn)移放大的過程中由于電氣的相互干攏而隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲像素。

總的來說，固定噪聲的比率大于隨機(jī)噪聲，而CCD的隨機(jī)噪聲大于CMOS，CMOS的固定噪聲卻大于CCD。

所以，在市面上CCD攝像機(jī)一直以來是市場的主流產(chǎn)品，而對CMOS攝像機(jī)的使用一直處在低檔產(chǎn)品層面。

而CCD的功耗卻比CMOS的要大，發(fā)熱量大卻也是一大劣勢，而CMOS的成本卻低于CCD。

但隨著現(xiàn)在的CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，CMOS通過加大像素點面積來增加感光度，通過增強(qiáng)降噪技術(shù)來達(dá)到與CCD相當(dāng)?shù)乃?。而由于在高清級別的IPC領(lǐng)域，其較低的成本，在大的像素下的較寬的頻率已全面占領(lǐng)了安防這一新市場。

圖像降噪相關(guān)算法

上面介紹了兩種主要的噪聲的產(chǎn)生原理那么各廠家又是怎樣進(jìn)行降噪處理的呢？

在監(jiān)控行業(yè)內(nèi)針對固有噪聲與隨機(jī)噪聲會有兩種處理方式：

1、幀內(nèi)降噪(2D降噪)與算法；

2、幀間降噪(3D降噪)相結(jié)的方式。

這兩種算法分別是通過對幀內(nèi)與幀間算法進(jìn)降噪處理的。大家都知道，攝像機(jī)的圖像是通過連續(xù)的靜態(tài)畫面達(dá)到一定的傳輸頻率后才能在人眼造成連慣的動態(tài)圖像。

而圖像在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸過程是要通過一定的算法（H.264、MJPG等）進(jìn)行圖像壓縮。但不論哪種算法都會有幀間與幀內(nèi)的結(jié)構(gòu)。所以在處理幀內(nèi)的噪聲我們叫做2D降噪；而在幀與幀之間的噪聲處理叫做3D降噪。

由于圖像噪聲的出現(xiàn)是隨機(jī)的，因此每一幀圖像出現(xiàn)的噪聲是不相同的。3D數(shù)字降噪通過對比相鄰的幾幀圖像，將不重疊的信息（即噪聲）自動濾出，采用3D降噪的攝像機(jī)，圖像噪聲會明顯減少，圖像會更通透。從而顯示出比較純凈細(xì)膩的畫面。

2D降噪：只在2維空間域上進(jìn)行降噪處理。基本方法：對一個像素將其與周圍像素平均，平均后噪聲降低，但缺點是會造成畫面模糊，特別是物體邊緣部分。因此對這種算法的改進(jìn)主要是進(jìn)行邊緣檢測，邊緣部分的像素不用來進(jìn)行模糊。

3D降噪：增添了時域處理，因此變?yōu)?維。和2D降噪的不同在于，2D降噪只考慮一幀圖像，而3D降噪進(jìn)一步考慮幀與幀之間的時域關(guān)系，對每個像素進(jìn)行時域上的平均。例如，假設(shè)場景靜止，那么連續(xù)兩幀圖像內(nèi)容沒變，他們的差值就是2倍的噪聲。通過減少時域上的改變降低噪聲。

相比2D降噪，3D降噪效果更好，且不會造成邊緣的模糊，但存在的主要問題是：畫面不會是完全靜止的，如果對不屬于同一物體的兩個點進(jìn)行降噪處理會造成錯誤。因此該方法需要運動估計，其效果好壞也與運動估計相關(guān)。而運動估計計算量大，耗時長，是制約3D降噪的主要瓶頸。