安防视频监控系统中的超宽动态摄像机

宽动态是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。摄像机的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度（反差）及色温（反差）的变化范围。即表示摄像机对图像的最“暗”和最"亮”的调整范围，是静态图像或视频帧中最亮色调与最暗色调的比值。而色调能呈现出图像或帧中的精准细节，作为两种色调的比值，动态范围的单位可以是分贝、比特、档，或者简单以比率或倍数来表示。各种单位之间的换算方法如表1所示。

表1仅列出了20档动态范围，因为这几乎涵盖了人眼所能分辨的所有动态范围，而超过这些档位的动态范围就没有太大的实际意义。

一、CCD摄像机扩展动态范围的原理与方法

目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有如下4种。

•输出信号伽马修正方法；

•对数压缩放大方法；

•单帧图像两次取样方法；

•单帧图像多次取样方法。

在安防视频监控领域中，一般多采用单帧图像2次或5次取样方法。以松下为首的厂商，率先采用了两次曝光取样法，即“单帧图像2次取样方法”，或说“2次合成电子快门”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的2次取样曝光及图像分割合成技术。这种单帧图像2次取样方法的工作过程如下。

首先，利用成像器件CCD对较暗的景物取得正确曝光（如用1/50s快门），其曝光量如图1（a）所示，将得到的第1帧图像存储到数据缓冲存储器中。

图1 双曝光时间与曝光量示意图

其次，利用高速数字信号处理器DSP对送来的图像数据进行分析，如图像中较暗的部分曝光正常，而有部分曝光过度的区域（即高亮度区域），就要对其进行亮度评估。

第三，根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光（如1/2000s快门），其曝光量如图1（b）所示，并将第2次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中，如此即可同时取得两张对明暗两区均为正确的影像。

最后，再利用高速DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理算法，将两影像在DSP中高速运算相加，即将两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，然后在一帧新的图像中合成起来，就可标准制式实时输出亮暗动态范围很宽的图像。例如，室内人物照度为10Lx，而室外景物为1000Lx，此时CCD摄像机可采用1/60s的速度对室内景物取得正确曝光，再用1/6000秒对室外景物取得正确曝光，然后将两张图像结合即成为比较完美的图像。

显然，传感器在第二次曝光时需要将第一次曝光得到的数据保存起来，因而该方法需要双倍的内存。为消除这种额外的内存开销，采用两次曝光技术的很多产品不得不将垂直分辨率减少为一半。这种方法虽然提升了动态范围，但却牺牲了图像的真实分辨率和色彩精确度。所以，两次曝光的图像总是看起来很苍白，好像褪了色一样。显而易见，5次或多次曝光取样方法图像自然会好一些。

二、CMOS摄像机扩展动态范围的原理与方法

尽管CCD摄像机采用2次曝光法的宽动态范围已达到了54dB，而采用5次取样方式，其动态范围最多也只能达到66dB。而现在已经推出的CMOS宽动态摄像机，如加拿大Dalsa公司采用线性-对数输出模式的IM28-SA型CMOS摄像机，以及美国Pixim的CMOS-DPS摄像机，其宽动态范围最大能达到120dB。

目前CMOS摄像机扩展动态范围的方法有5种：双斜率输出模式、对数输出模式、γ校正输出模式、线性-对数输岀模式、DPS数字像素模式。总之，超宽动态摄像机还是CMOS摄像机要好些。

三、动态范围测试方法

确定摄像机成像器的动态范围的方法主要有两种：一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息由公式计算得出；另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像，并测量影像级别的方法得出。尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值，但通常人们还是倾向于使用测量的方法，因为它能反映用户对摄像机成像效果的实际体验。下面就具体介绍国外两个公司对摄像机动态范围的实际测试方法。

（1）JVC的动态范围测试方法。

①测试摄像机动态范围所需的设备：

•透射灰度卡与反射灰度卡；

•亮度可调的背光灯箱与亮度可调的照射光源；

•视频监视器与波形监视器；

•测光表或照度计；

•标准内鏡头等。

②测试摄像机动态范围的条件：需要在暗室内进行。

③测试摄像机动态范围的基本方法与步骤：

•在暗室中一桌子的同一垂直平面上安装2套双阶灰度测试卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可调的背光光源作为恒定参照，调整背光源亮度，确保自正面中心确认白块表面的发散照度为2500Lx；另外1套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可调的照射光源，以用于测定动态范围的临界值。

•架设待测摄像机与灰度测试卡中心同水平面高度，并保持与灰度测试卡垂直平面呈90°夹角，同时使摄像机鏡头视角能涵盖2套灰度测试卡。

•将摄像机的输出信号连接到视频监视器与波形监视器。

•在摄像机加电稳定后，开启扩展动态范围功能，将正面的照射光源的亮度调整到2500Lx。显然，在这种照度下是曝光过度的（出厂的标准照度多为2000Lx），此时反射灰度卡的白色端条纹可能会出现层次混合，即有2条或更多灰度条表现出相同的白色，而分辨不出亮度的差别。

•再不断缓慢降低光源亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。当顶电平因为光源照度降低而开始相应降低时，记录此时的照度值（如L₁），这一照度值即为该摄像机动态范围的上限。此时的摄像机应当正好可以表现出亮度较大的白色条纹之间的亮度层次区别。

•然后不断继续缓慢降低亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。当顶电平不再因为光源照度降低而继续相应降低时，记录此时的照度值（如L₂），这一照度值即为该摄像机动态范围的下限。此时摄像机拍摄的灰度卡图像中在亮度暗的2个灰黑色条纹之间的亮度层次区别应当正好消失而混合成一块黑色。

上述测试方法计算动态范围的公式为

动态范围=201gL₁/L₂（dB）      （1）

用上述测试方法测得日本JVC公司用5次取样方式的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC的顶电平变化自2200Lx开始至l.lLx结束，可得

动态范围=201g2200/1.1=66dB

（2）Pixim的动态范围测试方法。为了让测量实验具有可重复性，使得在测量过程中可以对所有色调级别同时进行观察和比较，Pixim使用一套定制的仪器装置来测量动态范围。该套装置包含一个灯箱，它使用700W的白炽灯光对透光步进卡进行背光投射。测量使用的步进式光楔均由SinePatterns LLC公司生产，两个光楔重叠在一起最高可测量ND值为0.1~6.1或大约120dB的密度范围。

要在计算机监视器上或在打印文档中准确显示很宽的动态场景并不容易，图2所示为Pixim DPS技术良好地捕捉到超宽动态图像，同时呈现了单调灰阶和中间灰阶响应。

图2 使用PiximDPS技术拍摄的超宽动态范围场景

图3所示为使用两次曝光方法的CCD摄像机拍摄的同一图片。

图3 用两次曝光CCD摄像机拍摄的同一图片

尽管该相机自称具有很高的动态范围，但从图片中场景高亮部分的晕光现象和中间色调的串色现象看出其明显的局限性。此外，对中间色调的响应，该相机的响应过于平乏，与PiximDPS相机单调分明的响应相比，谁优谁劣一看便知。图3就是用日本的CCD宽动态摄像机与CMOS-DPS摄像机拍摄实际场景的图像的对比。显然，CCD宽动态摄像机所摄的色彩精准度和图像质量都不如CMOS-DPS摄像机好。