淺談監控攝像機的降噪

文/周志高

圖像噪聲的來源

CCD、CMOS的工作原理

大家都知道現用的監控攝像機一般都是采用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采集圖像的。感光二極管在受到一定的光照后就會產生輸出電流，光照強度與電流強度對應。但在周邊元器件上CCD與COMS的組成是不一樣的。CCD因為只能產生模擬信號所以在被后端DSP進行圖像處理前是要進行統一的A/D轉換的。而CMOS本身在每個像素部分都自帶一個A/D轉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可接收更強的光信號，對應輸出電信號與更大，后端的攝像機成像也更清晰。

圖像噪聲的種類

因為不論是CCD還是CMOS所產生的電信號還是很微弱的，無法達到后端DSP芯片處理的要求，所以兩者都需要對原始進行一個放大過程。CCD是采集后再統一放大處理的方式與CMOS的單個像素進行放大后統一輸出是完全不同的。所以CCD產生的噪聲比例要比CMOS的單個像素點參差不齊的放大效果產生的噪聲要更少。

但這兩種感光元器件所產生的噪聲卻都可以統一分成兩種。一種是固有噪聲，一種是隨機噪聲。在監控行業內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生的像素。

隨機噪聲：即在采集的原始信號在轉移放大的過程中由于電氣的相互干攏而隨機產生的噪聲像素。

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

所以，在市面上CCD攝像機一直以來是市場的主流產品，而對CMOS攝像機的使用一直處在低檔產品層面。

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

但隨著現在的CMOS技術的不斷發展，CMOS通過加大像素點面積來增加感光度，通過增強降噪技術來達到與CCD相當的水平。而由于在高清級別的IPC領域，其較低的成本，在大的像素下的較寬的頻率已全面占領了安防這一新市場。

圖像降噪相關算法

上面介紹了兩種主要的噪聲的產生原理那么各廠家又是怎樣進行降噪處理的呢？

在監控行業內針對固有噪聲與隨機噪聲會有兩種處理方式：

1、幀內降噪(2D降噪)與算法；

2、幀間降噪(3D降噪)相結的方式。

這兩種算法分別是通過對幀內與幀間算法進降噪處理的。大家都知道，攝像機的圖像是通過連續的靜態畫面達到一定的傳輸頻率后才能在人眼造成連慣的動態圖像。

而圖像在進行網絡傳輸過程是要通過一定的算法（H.264、MJPG等）進行圖像壓縮。但不論哪種算法都會有幀間與幀內的結構。所以在處理幀內的噪聲我們叫做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是隨機的，因此每一幀圖像出現的噪聲是不相同的。3D數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，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膩的畫面。

2D降噪：只在2維空間域上進行降噪處理。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主要是進行邊緣檢測，邊緣部分的像素不用來進行模糊。

3D降噪：增添了時域處理，因此變為3維。和2D降噪的不同在于，2D降噪只考慮一幀圖像，而3D降噪進一步考慮幀與幀之間的時域關系，對每個像素進行時域上的平均。例如，假設場景靜止，那么連續兩幀圖像內容沒變，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。而運動估計計算量大，耗時長，是制約3D降噪的主要瓶頸。