寬動態攝像機的技術、功能介紹

　　寬動態技術是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色而運用的一種技術。

　　當在強光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區域及陰影、逆光等相對亮度較低的區域在圖像中同時存在時，攝像機輸出的圖像會出現明亮區域因曝光過度成為白色，而黑暗區域因曝光不足成為黑色，嚴重影響圖像質量。攝像機在同一場景中對最亮區域及較暗區域的表現是存在局限的，這種局限就是通常所講的“動態范圍”。

　　廣義上的“動態范圍”是指某一變化的事物可能改變的跨度，即其變化值的最低端極點到最高端極點之間的區域，此區域的描述一般為最高點與最低點之間的差值。這是一個應用非常廣泛的概念，在談及攝像機產品的拍攝圖像指標時，一般的“動態范圍”是指攝像機對拍攝場景中景物光照反射的適應能力，具體指亮度（反差）及色溫（反差）的變化范圍。

　　寬動態攝像機比傳統只具有3：1動態范圍的攝像機超出了幾十倍。自然光線排列成從120，000Lux到星光夜里的0.00035Lux。當攝像機從室內看窗戶外面，室內照度為100Lux，而外面風景的照度可能是10，000Lux，對比就是10，000/100=100：1。這個對比使人眼能很容易地看到，因為人眼能處理1000：1的對比度。然而以傳統的閉路監控攝像機處理它會有很大的問題，傳統攝像機只有3：1的對比性能，它只能選擇使用1/60秒的電子快門來取得室內目標的正確曝光，但是室外的影像會被清除掉（全白）；或者換種方法，攝像機選擇1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室內的影像會被清除（全黑）。這是一個自從攝像機被發明以來就一直長期存在的缺陷。

　　寬動態是一項很實用的技術，拉近了攝像機與人眼的距離（讓攝像機對畫面的處理和顯示更加貼近人眼的識別程度），讓用戶有了一種更人性化的體驗。因為經過幾萬年的進化，人眼的寬動態性能超強，對于實際場景中和各種光線下的區域，如較暗的區域和較亮的區域都能同時看清。而對于傳統的攝像機、鏡頭來說確是一個很大的挑戰。在一幅畫面中，如果有較亮的區域和較暗的區域同時存在，比如銀行的大廳，有很大的窗戶，在窗外的光線很強的情況下，就會造成明暗對比差異很大的場景，這對于普通的攝像機來說，要看清亮的部分，則暗的區域就是全黑的，而要看清暗的區域，則亮的區域就過爆，也是一片白，什么都看不見。海康威視產品總監應群表示，運用了寬動態攝像機后，就能達到很好的效果，即能同時兼顧到明亮和昏暗的區域，都可以看清；這樣的功能對于銀行、出入口等很多實際場景的監控都有非常直接的幫助，能達到監控的實際要求。

　　目前海康威視已經推出了基于SONY最新超寬動態CCDSensor的系列攝像機，能達到160X的寬動態效果，在亮暗對比強烈的場景下都能達到很好的監看效果，滿足了實際使用環境的要求。

　　CCD、CMOS攝像機拓展寬動態范圍的方法

　　目前，CCD攝像機擴展動態范圍的方法有輸出信號伽馬修正方法、對數壓縮放大方法、單幀圖像兩次取樣方法、單幀圖像多次取樣方法四種。在安防監控領域中，一般多采用單幀圖像兩次或五次取樣方法，尤其多用兩次曝光取樣的方法。下面介紹一下這種曝光取樣方法的原理。

　　所謂“單幀圖像兩次取樣方法”或說“兩次合成電子快門”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的兩次取樣曝光機圖像分割合成技術。其工作過程如下：

　　首先利用成像器件CCD對較暗的景物取得爭取的曝光（如用1/50s快門），將得到第一幀圖像存儲到數據緩沖存儲器中。

　　其次，利用高速數字信號處理器DSP對送來的圖像數據進行分析，如圖像中較暗的部分曝光正常，而有部分曝光過度的區域（即高亮度區域），就要對其進行亮度評估。

　　第三，根據亮度評估結果，再采用高速快門進行曝光（如1/2000s快門），并將第2次拍攝的圖像也存儲到數據緩沖存儲器中，如此即同時取得兩張明暗兩區均為正確的影像。

　　最后，再利用高速DSP并通過其中嵌入的特有的圖像處理方法，將兩影像在DPS中高速運算相加，即可兩幅圖像中亮度適當的部分分別切割下來，然后在一幀新的圖像中合成起來，就可以標準制式實時輸出亮暗動態范圍很寬的圖像，例如：室內人物照度為10Lux，而室外景物為1000Lux，此時CCD攝像機可采用1/60秒的速度對室內景物取得正確曝光，再用1/6000秒對室外的景物取得正確的曝光，然后將兩張圖像結合即成為比較完美的圖像。

　　但是，一般CCD攝像機并不具有這種雙曝光的功能，這是因為一般的通用電路芯片不能實現這樣高速運算，而高速DSP，就具有200K個高速運算門電路的運算速度，同事解決了雙曝光的兩圖像的分別記憶儲存，緊接著即可合成計算的功能，合成處理后再按標準制式實時輸出視頻圖像信號。

　　顯然，如果再根據圖像的最暗區域至最亮區域的中間過度范圍的整體評估，再對圖像進行三次中間層次的曝光，這樣就得到三幀針對過度范圍內亮度不同的曝光圖像。然后通過特有的圖像識別算法，將上述5幅圖像當中亮度適當的部分分別切割下來，再在一幀新的圖像中合成起來，就會完成并最終輸出比僅有2次曝光取樣更加滿意的圖像。

　　盡管款動態CCD攝像機與傳統CCD攝像機相比，在技術上有了一次突破，現在已發展到第三代CCD寬動態攝像機，寬動態范圍也達到了160倍，或說54db。而采用五次采樣方式，CCD寬動態攝像機的動態范圍最多也只能達到66db。而現在已推出的CMOS寬動態攝像機，其寬動態范圍已能達到120db。

　　CMOS寬動態攝像機擴展動態范圍的方法有：雙斜率輸出模式、對數輸出模式、伽馬校正輸出模式、線性-對數輸出模式與CMOS-DSP數字像素式等。下面就簡要的介紹一下CMOS-DSP數字像素式的CMOS攝像機擴展范圍的原理。

　　CMOS-DSP是繼CMOS-PPS與CMOS-APS之后的第三代CMOS寬動態攝像機。所謂DSP，即數字像素系統，CMOS-DPS攝像機就是數字像素系統的攝像機。傳統的CCD和CMOS攝像機傳感器都是為每一列或每一行像素點配備一個模擬轉換器（A/D），每個像素點的輸出都是模擬光信號，存在著噪聲大和輸出時間長等缺點。而DSP是在圖像傳感器的每一個像素點上包含了一個10位A/D轉換器，即在CMOS攝像機圖像傳感器上的有源像素捕捉到光信號時，直接將其放大并轉換為數字信號，從而可將陣列上的信號退化和串擾降到最小，并允許采用更好的降噪辦法，一旦數據以數字格式捕獲，就可以采用各種數字信號處理技術來真正重現圖像。顯然，DSP技術中的圖像傳感器和圖像處理器是全數字式的，并采用32位ARMCPU精確控制每個像素，使每個像素獨立完成采樣和曝光，并直接轉換成數字信號，是目前市面上唯一的，真正的全數字圖像處理系統。

　　寬動態攝像機能否智勇雙全

　　對于攝像機，如果把其靈敏度看作“勇”，寬動態能力看作“智”的話，寬動態攝像機能做到智勇雙全嗎？

　　寬動態技術的出現彌補了普通攝像機在光線明暗交差成像的缺點，但是同時也出現了相應的不足，畢竟寬動態技術是針對專一環境的專用功能。往往是動態范圍大的攝像機，其靈敏度低，高靈敏度的攝像機動態范圍相對小，也就是說目前寬動態攝像機在環境光線足夠時完全能夠滿足環境的需求，呈現出高質量的圖像，但在低照度情況下的實用狀況并不是那么理想，噪點過大。在夜間低照度的情況下，圖像會出現類似雪花點的現象，有時也會出現其它現象，如：剛裝上去調試好是正常的，過段時間之后畫面會出現偏色。據了解，這個現象與環境的影響或攝像機本身設置有關，一般寬動態攝像機出現偏色都與白平衡有關，如果原本在調試的時候設置為自動跟蹤白平衡圖像就會隨著環境的變化而產生不同的白平衡效果，將白平衡模式調整為自動白平衡即可解決。另外，在安裝的過程中安裝的位置對圖像亦有偏差的影響，應盡量避免安裝在強光反射點的位置。

　　眾所周知，寬動態打開時，其它方面的指數就會有所降低，比如清晰度、靈敏度、色彩等等，畫面有可能會變得稍微模糊，色彩飽和度下降，畫面顯得較淡；在低照度環境中靈敏度下降等，此外還面臨與WD的平衡、同步提升的問題。另外現在很多寬動態功能范圍相差很大，低的有52db、54db，高的有75db、123db，沒有一個統一的定義和標準來規范動態范圍的測量。現在在行業內也有機構正在積極推進此事，相信隨著規范的測試標準出臺之后，會對行業門內寬動態的指標參數有更好的規范作用，避免混淆視聽。

　　寬動態為視頻智能分析奠定了強大的基礎

　　一種具有寬動態范圍(WDR)特性的新式安保攝像機可以提高視頻圖像的精度，使傳輸給視頻分析的數據更穩定，質量更高。

　　WDR指攝像機能夠以最高的明暗比捕捉圖像。換句話說，即使在高反差照明、強逆光、眩光、反光和其它無法控制或變化不定的照明條件下，WDR攝像機都可以同時捕捉一個場景中最亮和最暗區域的細節和準確色彩。

　　WDR的衡量單位是分貝(dB)。一般而言，有效的視頻分析要求攝像機提供100分貝或更高的動態范圍，從而使同一場景中不同照明區域能生成噪聲極低(高信噪比)、色彩準確、圖像質量優秀、細節突出的高質量數據。

　　視頻分析算法必須不斷根據攝像機“看到”的東西進行評估或做出最佳猜測，以區分前景和背景、靜止和移動物體，以及視頻偽影或其它傳感器錯誤和目標敏感事件。

　　WDR攝像機能傳輸穩定的高質量數據，優化視頻應用程序的算法，從而實現精確評估和識別。其生成的高質量圖像在整個場景(亮區和陰影)中正確曝光，色彩逼真度高，特征表現銳利，細節突出，圖像偽影較少存在或不存在，視頻噪聲低。

　　除了圖像質量和色彩還原以外，全數字WDR攝像機還能為現場實時網絡視頻分析(即在攝像機中內置分析功能)提供最佳數據。有了全數字WDR攝像機，無須再將數據從模擬轉換為數字；而且因為視頻分析是在現場完成，只有重要事件才會通過網絡傳輸，從而減少了流量和時間，并降低誤報率和數據存儲空間。即使數據是先傳輸到中央服務器再作分析，WDR攝像機也能為分析提供最高質量的數字數據，以及降低存儲空間需求。

　　寬動態攝像機的重點應用

　　在一些特定場合的特殊環境中，尤其在強光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區域及陰影、逆光等相對亮度較低的區域在圖像中同時存在時，攝像機輸出的圖像會出現明亮區域因曝光過度顯現為白色，而晦暗區域因曝光不足成為黑色，比如銀行出入口的安全玻璃自動門等強逆光場所。

　　在白天室內和室外光線反差大的情況下，普通攝像機拾取的圖像明亮部分和暗的部分不能像人類眼睛那樣同時看清，會產生圖像大部分信息遺漏、畫質劣化等現象，寬動態功能就是針對金融道路交通監控等行業的應用而專門設計的。高品質寬動態攝像機不僅可以幫助警方破獲犯罪案件，同時可以為發生的糾紛提供佐證。

　　銀行營業網點一般都位于臨街路邊，大廳光線充足，用戶接待柜臺面向窗戶，顧客則背向窗戶。監控攝像機需要監看和記錄的目標是營業員的工作過程、用戶的面部細節、大廳里人員活動的細節、以及顧客從營業廳外進入營業廳及從營業廳里離開到營業外等全程。在這樣的環境中，光線明暗變化明顯，室內外光線反差巨大，監控攝像機處于逆光拍攝，如采用普通攝像機是不能拍攝出明暗反差大的局部細節，監控不到滿意的圖像。這種監控環境下，需要的不是攝像機具有多低的照度指標，而是需要攝像機具有很好的寬動態性能、色彩還原性能和高清晰度。對于ATM機，很多安放在室外，它是24小時運行的，用于ATM的攝像機不僅需要更好的寬動態指標還要有足夠的低照度指標。所以，應用于金融行業的監控攝像機，應該選用寬動態攝像機。

　　目前寬動態攝像機用于道路交通監控的重點是高速公路收費監控系統，主要是對收費站車道、收費廣場、收費亭的收費情況，對收費車道通過的車輛類型、收費員的操作過程以及收費過程中的突發事件進行觀察和記錄。尤其在夜間，寬動態功能就可以避免如汽車的尾燈和頭燈引起的光線拖尾現象，收費站工作人員能看到車牌照，這是普通攝像機難以實現的。

　　在電子警察系統中，通過監控系統和闖紅燈自動攝錄等手段，提高指揮中心的直觀性、實時調動能力和對交通事故、意外事件的響應能力，以及增強查處違章的客觀性，并對控制區域進行全面協調控制，提高車輛的通行能力。由于需要看清車牌，24小時監控，所以有對低照度，寬動態攝像機的需求。

　　存在的問題

　　PiximDPS技術的應用無疑將給寬動態攝像機市場帶來活力，但真正能將該技術發揮得淋漓盡致，還要看制造商的技術實力。目前全球領先的高質量CCTV設備解決方案供應商，如Pelco、Stanley、JVC、GE和Honeywell已經成為Pixim的客戶，也就是采用基于Pixim的DPS技術開發出了國際一流的超級寬動態攝像機。

　　需要提出的是，雖然寬動態攝像機的出現彌補了普通攝像機在背光補償中的缺點，但也存在不足。動態范圍和靈敏度是兩個矛盾因素，通常動態范圍大的攝像機其靈敏度較低，而高靈敏度的攝像機動態范圍相對較低。也就是說目前寬動態攝像機在環境光線足夠時完全能夠滿足環境的需求，呈現出高質量的圖像，但在低照度情況下，使用狀況并不是太好。這也是目前各生產寬動態攝像機廠家迫切要解決的技術問題。同時，物體截面光的折射也會使寬動態攝像機的動態效果不是十分滿意。

　　隨著寬動態技術的發展和應用環境的特別需求，攝像機制造商將為市場帶來更多更好的寬動態攝像機。