【安防知識(shí)網(wǎng)】傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)在采集一幅圖像的過(guò)程中只對(duì)整個(gè)圖像采樣一次，因此必然會(huì)出現(xiàn)對(duì)整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域曝光過(guò)度、或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。而在安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的應(yīng)用過(guò)程中，又經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景。出于安全考慮，CCD攝像機(jī)被安裝在需要監(jiān)控的室內(nèi)外，由于在同一位置往往會(huì)面臨多種照明條件，很多地方照明條件分為日光和人工照明的混合光，并在不同時(shí)段下出現(xiàn)明暗反差非常大、背光等情況，如在銀行儲(chǔ)蓄所、重要場(chǎng)所出入口等。因?yàn)閺拇巴馍淙氲膹?qiáng)光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對(duì)當(dāng)時(shí)室內(nèi)外景象的捕獲造成困難，不能同時(shí)將反差很大的室內(nèi)外場(chǎng)景清晰地拍攝下來(lái)。所拍攝圖像會(huì)出現(xiàn)背景過(guò)亮前景過(guò)暗，或背景清晰前景過(guò)暗及前景適合背景過(guò)亮的情況。最早的解決方法，一般會(huì)采用背光補(bǔ)償技術(shù)或在室內(nèi)外放置兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)適應(yīng)較大的光線反差，但效果不是非常理想，從而誕生了寬動(dòng)態(tài)技術(shù)。

　　在安防監(jiān)控領(lǐng)域，所謂攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)，即WDR(Wide Dynamic Range)，實(shí)際上是指攝像機(jī)同時(shí)可以看清楚圖像最亮與最暗部分的照度比值。因此，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，就是表示攝像機(jī)對(duì)圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍。攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大，圖像所表現(xiàn)的圖層就越豐富、清晰，當(dāng)然圖像的色彩空間就更廣，也就是寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)適應(yīng)逆光環(huán)境的能力也更大。寬動(dòng)態(tài)技術(shù)從1977年松下首推第一代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)至今，在安防監(jiān)控領(lǐng)域一次又一次的技術(shù)改革，帶動(dòng)了安防產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。

　　1999～2002年，松下推出了第二代寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，其動(dòng)態(tài)范圍可以比普通攝像機(jī)高出80倍。它通過(guò)增強(qiáng)的數(shù)字處理技術(shù)提取兩幅畫(huà)面中圖像質(zhì)量較好的部分加以合成，來(lái)得到清晰的畫(huà)面。這時(shí)圖像的噪點(diǎn)小，可以編程設(shè)置;但對(duì)DSP性能要求高，色彩還原差，對(duì)移動(dòng)目標(biāo)效果還不是很理想。

　　2003～2008年，以松下為代表的廠商率先推出了第三代超級(jí)動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。該類(lèi)攝像機(jī)采用了基于每個(gè)像素的160倍動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)，雙速CCD輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍增大，DSP中采用“不分區(qū)域的(基于每個(gè)像素的)自然對(duì)比度圖像校正”技術(shù)，能根據(jù)各像素輸入信號(hào)電平，實(shí)現(xiàn)圖像的灰度優(yōu)化。此外，三星電子等廠商相繼推出了80倍的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)和160倍的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。160倍動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)具有超大寬動(dòng)態(tài)、色彩還原好等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)DSP性能(特別是處理速度)要求很高。

　　這種CCD寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP(數(shù)字信號(hào)處理)電路，對(duì)明亮部分進(jìn)行最合適的快門(mén)速度曝光，然后再對(duì)暗的部分用最合適的快門(mén)速度曝光，之后將兩個(gè)圖像進(jìn)行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚，這需要較高的技術(shù)使色彩和清晰度損失最小。由于掃描速度要提高一倍，所以需要雙速CCD和相應(yīng)的DSP芯片進(jìn)行支持，這也是寬動(dòng)態(tài)CCD攝像機(jī)價(jià)格比較高的原因。

　　下面就介紹CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的基本原理，4種擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法、性能比較，以及動(dòng)態(tài)范圍的具體測(cè)試方法。

　　CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法

　　目前，CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法有如下4種：

　　1、單幀圖像兩次取樣方法

　　首先，利用成像器件CCD對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行第一次標(biāo)準(zhǔn)速度曝光(如用1/50s快門(mén)) ，將得到的第一幀圖像存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中;

　　其次，利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP對(duì)送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖像中較暗的部分曝光正常，而有部分曝光過(guò)度的區(qū)域(即高亮度區(qū)域)，就要進(jìn)行亮度評(píng)估;

　　第三，根據(jù)亮度評(píng)估結(jié)果，再采用高速快門(mén)進(jìn)行曝光(如1/2000s快門(mén))，并將第二次拍攝的圖像也存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中;

　　最后，再利用DSP并通過(guò)其中嵌入的特有的圖像處理算法，將兩幅圖像中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來(lái)，在一幀新的圖像中合成起來(lái)即可。

　　此種方式就是所謂單幀圖像“兩次取樣方式”，或“兩次合成電子快門(mén)”。其典型特征則為基于中速感光器件及高速DSP的兩次取樣曝光及圖像分割合成技術(shù)。

[nextpage]　　2、單幀圖像多次取樣方法

　　首先，利用成像器件CCD對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行第一次標(biāo)準(zhǔn)速度曝光(如用1/50s快門(mén))，將得到的第一幀圖像存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中;

　　其次，利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP并通過(guò)特有的圖像處理算法，對(duì)送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)圖像中較暗的部分曝光正常，對(duì)曝光過(guò)度的區(qū)域(即高亮度區(qū)域)，進(jìn)行亮度評(píng)估;

　　第三，根據(jù)亮度評(píng)估結(jié)果，再采用高速快門(mén)進(jìn)行曝光(如1/2000s快門(mén))，并將第二次拍攝的圖像也存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中;

　　第四，根據(jù)對(duì)圖像的最暗區(qū)域至最亮區(qū)域的中間過(guò)渡范圍的整體評(píng)估，再對(duì)圖像進(jìn)行三次中間層次的曝光，這樣又得到了三幀針對(duì)過(guò)渡范圍內(nèi)亮度不同的曝光圖像;

　　最后，通過(guò)特有的圖像識(shí)別算法，將上述5幅圖像當(dāng)中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來(lái)，再在一幀新的圖像中合成起來(lái)，完成并最終輸出滿意的圖像即可。

　　此種方式就是單幀圖像的“多次取樣方式”，或“五次合成電子快門(mén)”。其典型特征則為基于高速感光器件及高速DSP的多次取樣曝光及圖像分割合成技術(shù)。

　　3、對(duì)數(shù)壓縮放大方法

　　首先，利用成像器件CCD及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)光/曝光控制電路對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行一次適當(dāng)速度曝光，并將累計(jì)的電荷按照標(biāo)準(zhǔn)方式傳送到后端的前置放大器進(jìn)行放大。接著，前置放大器在對(duì)圖像中亮度適當(dāng)及較暗的區(qū)域進(jìn)行放大時(shí)，采用接近線性的放大比(對(duì)數(shù)曲線的下端)，即隨著圖像亮度的提高而放大輸出，這樣放大器的放大比基本上是恒定的，以達(dá)到保持亮度適當(dāng)及較暗區(qū)域的層次目的;前置放大器在對(duì)圖像中亮度較高的區(qū)域進(jìn)行放大時(shí)，采用非線性(漸進(jìn)斜率壓縮)的放大方式(對(duì)數(shù)曲線的上端)，即隨著圖像亮度的提高而相應(yīng)降低放大器的放大比例，這樣放大器的放大比及輸出電平會(huì)漸進(jìn)，但非常迅速地下降，以達(dá)到壓縮高亮度區(qū)域的目的。因此，使較暗區(qū)域的亮度適當(dāng)，高亮度區(qū)域亮度壓縮，以輸出適中的圖像。

　　此種方式即“對(duì)數(shù)壓縮放大方式”，或“自動(dòng)拐點(diǎn)取樣方式”。其典型特征則為基于普通感光器件單次曝光及非線性前置放大器的對(duì)數(shù)曲線放大方式。

　　4、輸出信號(hào)伽馬修正方法

　　首先，利用成像器件CCD及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)光/曝光控制電路對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行一次適當(dāng)速度曝光，并將得到的圖像存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中;

　　其次，通過(guò)所設(shè)計(jì)的模擬電路或利用DSP中特有的圖像處理算法，對(duì)圖像中的不同亮度層次進(jìn)行取樣，并將接近的層次劃分成若干等級(jí)，其劃分的等級(jí)數(shù)在數(shù)字處理方式中取決于圖像的復(fù)雜程度及DSP的處理能力;

　　最后，按照用戶要求的方式，分組逐漸降低高亮度層次間的灰階關(guān)系，同時(shí)逐漸提高低亮度層次間的灰階關(guān)系，以達(dá)到擴(kuò)展低亮度區(qū)域的層次關(guān)系，壓縮高亮度區(qū)域的層次關(guān)系的目的，從而間接地?cái)U(kuò)展了圖像亮度的動(dòng)態(tài)范圍。

　　此種方式即“伽馬修正方式”，或“灰階比率修正方式”。其典型特征則為基于模擬電路或修正算法加DSP而進(jìn)行單次曝光的輸出灰階比率修正方式。

[nextpage]　　4種擴(kuò)展CCD攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的性能比較

　　4種擴(kuò)展CCD攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的性能比較如下表所示。

　　4種擴(kuò)展CCD攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的性能比較表

　　對(duì)數(shù)壓縮放大方式會(huì)改變圖像的色彩及信噪比，對(duì)圖像有一定的劣化作用，因而需對(duì)其后續(xù)圖像信號(hào)處理電路進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)。由于該技術(shù)復(fù)雜及成本過(guò)高，主要用于廣播電視用途的攝像機(jī)上，未用于安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)。

　　輸出信號(hào)伽馬值修正方式由于僅改變了輸出信號(hào)層次，而沒(méi)有真正增加原始信號(hào)的層次，因而僅提高了視覺(jué)的觀感，實(shí)際上攝像機(jī)并未感受到真實(shí)的層次變化。再加之其成本也過(guò)高，所以也主要用于廣播電視用途的攝像機(jī)上，而在安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)領(lǐng)域僅對(duì)其簡(jiǎn)化，作為一種輔助手段，在攝像機(jī)內(nèi)另立菜單調(diào)整。

　　在安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展技術(shù)上，實(shí)際上以兩次及多次曝光方式效果最為理想而用得最多。其中，兩次曝光方式已被很多攝像機(jī)廠商所掌握，并開(kāi)始普及。但由于曝光速度僅有兩次選擇，其圖像的過(guò)渡層次少于多次曝光方式。

　　多次曝光方式由于可對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行多次曝光取樣，使獲得的實(shí)際原始層次最為豐富，因而可保存最多的原始信息，所以至今仍是CCD攝像機(jī)行業(yè)內(nèi)最好的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法。該技術(shù)僅為日本JVC等5家公司所掌握。

　　攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試方法

　　對(duì)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試方法可能不盡相同，但其測(cè)試原理大同小異，這里介紹一基本方法。

　　1、測(cè)試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍所需的設(shè)備及條件

　　測(cè)試的設(shè)備：

　?、偻干浠叶瓤ㄅc反射灰度卡;

　?、诹炼瓤烧{(diào)的背光燈箱與亮度可調(diào)的照射光源;

　?、垡曨l監(jiān)視器與波形監(jiān)視器;

　?、軠y(cè)光表或照度計(jì);

　?、輼?biāo)準(zhǔn)內(nèi)鏡頭等。

　　測(cè)試的條件：需要在暗室內(nèi)進(jìn)行。

[nextpage]　　2、測(cè)試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的基本方法與步驟

　　第一步：在暗室中一桌子的同一垂直平面上安裝兩套雙階灰度測(cè)試卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可調(diào)的背光光源作為恒定參照，調(diào)整背光源亮度，確保自正面中心確認(rèn)白塊表面的發(fā)散照度為2500Lux;另外一套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可調(diào)的照射光源，以用于測(cè)定動(dòng)態(tài)范圍的臨界值;

　　第二步：架設(shè)待測(cè)攝像機(jī)與灰度測(cè)試卡中心同水平面高度，并保持與灰度測(cè)試卡垂直平面呈90°夾角，同時(shí)使攝像機(jī)鏡頭視角能涵蓋兩套灰度測(cè)試卡;

　　第三步：將攝像機(jī)的輸出信號(hào)連接到視頻監(jiān)視器與波形監(jiān)視器;

　　第四步：在攝像機(jī)加電穩(wěn)定后，開(kāi)啟擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍功能，將正面的照射光源的亮度調(diào)整到2500Lux。顯然，在這種照度下是曝光過(guò)度的(出廠的標(biāo)準(zhǔn)照度多為2000Lux)，此時(shí)反射灰度卡的白色端條紋可能會(huì)出現(xiàn)層次混合，即有兩條或更多灰度條表現(xiàn)出相同的白色，而分辨不出亮度的差別;

　　第五步：再不斷緩慢降低光源亮度，并不斷從波形監(jiān)視器上觀察與記錄反射灰度測(cè)試卡波形的頂電平。當(dāng)頂電平因?yàn)楣庠凑斩冉档投_(kāi)始相應(yīng)降低時(shí)，記錄此時(shí)的照度值(如L1)，這一照度值即為該攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的上限。此時(shí)的攝像機(jī)應(yīng)當(dāng)正好可以表現(xiàn)出亮度較大的白色條紋之間的亮度層次區(qū)別;

　　第六步：然后再不斷繼續(xù)緩慢降低亮度，并不斷從波形監(jiān)視器上觀察與記錄反射灰度測(cè)試卡波形的頂電平。當(dāng)頂電平不再因?yàn)楣庠凑斩冉档投^續(xù)相應(yīng)降低時(shí)，記錄此時(shí)的照度值(如L2)，這一照度值即為該攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的下限。此時(shí)攝像機(jī)拍攝的灰度卡圖像中在亮度暗的兩個(gè)灰黑色條紋之間的亮度層次區(qū)別應(yīng)當(dāng)正好消失而混合成一塊黑色。

　　3、測(cè)試結(jié)果計(jì)算

　　用上述實(shí)際測(cè)試方法計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的公式如下：

　　動(dòng)態(tài)范圍=20logL1/L2(dB)???(2)

　　用上述測(cè)試方法測(cè)得日本JVC公司的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)TK-WD310EC的頂電平變化自2200Lux開(kāi)始至1.1Lux結(jié)束，由上式可得：

　　動(dòng)態(tài)范圍=20log2200/1.1=66dB

　　用上述測(cè)試方法測(cè)得某公司的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的頂電平變化自1500Lux開(kāi)始至5Lux結(jié)束的動(dòng)態(tài)范圍為：

　　動(dòng)態(tài)范圍=20log1500/5=49dB

　　結(jié)束語(yǔ)

　　由上可知，在安防監(jiān)控領(lǐng)域，CCD寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP電路，對(duì)明亮部分進(jìn)行最合適的快門(mén)速度曝光，然后再對(duì)暗的部分用最合適的快門(mén)速度曝光，之后將兩個(gè)圖像進(jìn)行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。但無(wú)論怎樣，經(jīng)過(guò)這樣處理后的圖像會(huì)失去其原有的色彩效果，這也是當(dāng)前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)面臨的最大問(wèn)題。常用的兩次取樣方式，CCD的動(dòng)態(tài)范圍最大只能到54dB。顯然，以多次取樣方式為最好，如日本JVC公司的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)TK-WD310EC的動(dòng)態(tài)范圍就可達(dá)到66dB。