摘要：在應(yīng)用安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景，使得圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、較暗的區(qū)域欠曝光，而不能看清圖像最亮與最暗部分。因此，各攝像機(jī)廠家競相開發(fā)了寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。但如何檢測其寬動(dòng)態(tài)性能，是工程商等應(yīng)用人員急需了解的。本文介紹攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的基本概念，重點(diǎn)介紹國外三大廠商各自對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的具體測試方法，以供工程商等應(yīng)用人員測試選用參考...   

　　引言

　　由于自然光線的排列是從120000Lux到星光夜里的0.00035Lux，室內(nèi)照度為100Lux，而外面風(fēng)景的照度可能是10000Lux，因此當(dāng)攝像機(jī)從室內(nèi)看窗戶外面，兩者對(duì)比就是10000/100=100∶1。這個(gè)對(duì)比人眼能很容易地看到，因?yàn)槿搜勰芴幚?000∶1的對(duì)比度，但傳統(tǒng)的安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)則不行，因?yàn)樗挥?∶1的對(duì)比性能。因此，在出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景應(yīng)用安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)時(shí)，會(huì)使整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、較暗的區(qū)域曝光不足，而看不清圖像最亮與最暗部分。如在銀行儲(chǔ)蓄所、重要場所出入口等。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)外場景清晰地拍攝下來。其所拍攝圖像會(huì)出現(xiàn)背景過亮前景過暗，或背景清晰前景過暗及前景適合背景過亮的情況。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)外架設(shè)兩臺(tái)攝像機(jī)來適應(yīng)較大的光線反差，但效果不理想。擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)隨之應(yīng)運(yùn)而生，即現(xiàn)今所說的寬動(dòng)態(tài)WDR(Wide Dynamic Range)技術(shù)。

　　松下從1977年首推第一代寬動(dòng)態(tài)CCD攝像機(jī)起;到1999年又推出了第二代;2003~2008年再次推出第三代超級(jí)動(dòng)態(tài)CCD攝像機(jī)。在此期間，索尼、JVC、三星等也相繼推出了自已的寬動(dòng)態(tài)CCD攝像機(jī)。至今，在安防監(jiān)控領(lǐng)域一次又一次的技術(shù)改革中，帶動(dòng)了安防產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。

　　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)行最合適的快門速度曝光，其后再對(duì)暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個(gè)圖像進(jìn)行DSP處理重新組合，使明亮的部分和黑暗的部分皆可看清。這種160倍動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)雖具有大的寬動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)圖像灰度的優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)DSP性能(特別是處理速度)要求很高。目前，由于CCD的特性限制，即便采用多次曝光取樣方式，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍也只能到66dB。

　　顯然，由于CCD的感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS攝像機(jī)由于其圖像傳感器本身的優(yōu)異性能，或有突出的表現(xiàn)。如一般的線性輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍就可達(dá)40~60dB;加拿大Dalsa公司采用線性-對(duì)數(shù)輸出模式的IM28-SA型CMOS攝像機(jī)，其動(dòng)態(tài)范圍就可高達(dá)120dB;Apical有限公司結(jié)合Altera的 Cyclone III和Cyclone IV FPGA，利用Aptina MT9M033 720p WDR CMOS圖像傳感器也推出了明亮部分和暗的部分都看得清楚的CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī);美國PIXIM公司開發(fā)了CMOS-DPS技術(shù)，其芯片組從D1000、D1500、D2000到D2500在性能上有了飛速提高：其圖像清晰度從480線提升到540線以上;最低照度從1.0Lux/F1.2到0.5Lux/F1.2;典型寬動(dòng)態(tài)范圍從95dB 到120dB。據(jù)消息透露，有的CMOS的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)甚至已能達(dá)到160dB。因此可預(yù)見，未來的監(jiān)控?cái)z像機(jī)屬于寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，而寬動(dòng)態(tài)技術(shù)則屬于CMOS。

　　目前，在全球市場上，有50多個(gè)國家約100種類型的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用，然而其中多數(shù)攝像機(jī)制造商皆采用了Pixim的DPS技術(shù)。這是因?yàn)镈PS芯片的核心技術(shù)是在每一個(gè)像素里有ADC。也就是在準(zhǔn)確的捕捉點(diǎn)上，光信號(hào)被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。這樣做的好處是使像素間沒有串?dāng)_和沒有信號(hào)損失。這也意味著噪波大大降低并形成了一個(gè)超級(jí)動(dòng)態(tài)范圍，這樣就避免了垂直光斑的產(chǎn)生。如日本池上廣播級(jí)攝像機(jī)低垂直光斑達(dá)到-135dB，是所有廣播級(jí)攝像機(jī)這項(xiàng)指標(biāo)最好的。圖1就是日本池上基于低垂直光斑和Pixim DPS技術(shù)的CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)ISD-A10和普通CCD攝像機(jī)拍攝車燈時(shí)低垂直光斑效果圖。

圖1  CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)ISD-A10和普通CCD攝像機(jī)拍攝車燈之時(shí)低垂直光斑效果比較

　　對(duì)CCD攝像機(jī)來說，光斑是CCD傳感器的一個(gè)特性，在傳感器中沒有任何東西可以阻止強(qiáng)光穿射的曝光和在CCD上產(chǎn)生更多的電子，結(jié)果是在圖像中強(qiáng)烈的光出現(xiàn)時(shí)通常垂直斑紋也出現(xiàn)，在圖像中遮蓋了相關(guān)的細(xì)節(jié)。實(shí)際使用中，很多具有低垂直光斑攝像機(jī)使用IT CCD芯片來減少光斑的數(shù)量，因?yàn)镮T芯片能提供的更多好處在于高的信噪比和較低光斑。

　　目前，市場上寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)很多，但如何檢測其寬動(dòng)態(tài)性能，是工程商等應(yīng)用人員急需了解的。本文介紹攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的基本概念，重點(diǎn)介紹國外三大廠商各自對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的具體測試方法，供工程商等應(yīng)用人員測試選用參考。

　　攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的基本概念

　　所謂寬動(dòng)態(tài)實(shí)際是指攝像機(jī)同時(shí)可以看清楚圖像最亮與最暗部分的照度比值。而“動(dòng)態(tài)范圍”廣義上說是指某一變化事物可能改變的跨度，即其變化值的最低端極點(diǎn)到最高端極點(diǎn)之間的區(qū)域，此區(qū)域的描述一般為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的差值。攝像機(jī)的“動(dòng)態(tài)范圍”是指攝像機(jī)對(duì)拍攝場景中景物光照反射的適應(yīng)能力，具體指亮度(反差)及色溫(反差)的變化范圍。即表示攝像機(jī)對(duì)圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍，是靜態(tài)圖像或視頻幀中最亮色調(diào)與最暗色調(diào)的比值。而色調(diào)能呈現(xiàn)出圖像或幀中的精準(zhǔn)細(xì)節(jié)，作為兩種色調(diào)的比值，動(dòng)態(tài)范圍的單位可以是分貝、比特、檔，或者簡單以比率或倍數(shù)來表示。各種單位之間的換算方法如表1所示。

 表1  動(dòng)態(tài)范圍各單位之間的換算方法

　　表1僅列出了20檔動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)檫@幾乎涵蓋了人眼所能分辨的所有動(dòng)態(tài)范圍，超過這些檔位的動(dòng)態(tài)范圍已沒有太大的實(shí)際意義。人眼之所以能分辨出跨度如此之廣的動(dòng)態(tài)范圍，是因?yàn)槿嗽谟^察實(shí)景時(shí)，瞳孔、虹膜、視網(wǎng)膜和相關(guān)肌肉會(huì)相互作用、動(dòng)態(tài)調(diào)整，同時(shí)，大腦會(huì)將所有“曝光元素”整合為一幅連貫的圖像，極其精準(zhǔn)地反映出實(shí)景中十分明亮或十分暗淡的色調(diào)。

　　與人眼相比，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CCD和CMOS圖像傳感器來說，所有感光單元的曝光(收集光子)時(shí)間都是相同的。感光單元對(duì)景物明亮部分收集的光子較多，對(duì)陰暗部分收集的光子則較少。但是，感光單元能夠收集的光子數(shù)量卻受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調(diào)的感光單元有可能會(huì)溢出或飽和。為防止出現(xiàn)這種情況，可以減少曝光時(shí)間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調(diào)的感光單元可能又無法收集到足夠多的光子。因此，對(duì)于典型的單次曝光的圖像傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍的上限受制于感光單元的阱容量，下限則受制于感光單元的信噪比。因此，CCD攝像器件的動(dòng)態(tài)范圍是指其輸出的飽和電壓與暗場下噪聲峰-峰電壓之比，即

　　動(dòng)態(tài)范圍=Usat/UNp-p(1)

　　(1)式中，Usat為輸出飽和電壓;UNP-P為噪聲的峰-峰值。

　　顯然，動(dòng)態(tài)范圍也可這樣來定義和計(jì)算，即由CCD勢阱中可存貯的最大電荷量和噪聲所決定的電荷量之比;其數(shù)值也是輸出端的信號(hào)峰值電壓與均方根噪聲電壓之比(通常用dB表示)，即

　　動(dòng)態(tài)范圍=USp-p/UNp-p(2)式(2)USp-p為輸出信號(hào)峰值電壓。

　　因此，寬動(dòng)態(tài)就是場景中特別亮的部位和特別暗的部位同時(shí)都能看得特別清楚，寬動(dòng)態(tài)范圍就是圖像能分辨最亮的亮度信號(hào)值與能分辨的最暗的亮光信號(hào)值的比值。

　　顯然，確定攝像機(jī)成像器的動(dòng)態(tài)范圍的方法主要有兩種：一種是使用傳感器和圖像處理器中基本電路的相關(guān)信息由上述公式計(jì)算得出;另一種是使用灰階測試卡和實(shí)驗(yàn)儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級(jí)別的方法得出。盡管采用計(jì)算的方法可在理論上算出動(dòng)態(tài)范圍的極限值，但通常人們還是傾向于使用測量的方法，因?yàn)樗芊从秤脩魧?duì)攝像機(jī)成像效果的實(shí)際體驗(yàn)。下面就具體介紹國外三大廠家對(duì)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)際測試方法。

　　JVC的動(dòng)態(tài)范圍測試方法

　　對(duì)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測試方法可能不盡相同，但其測試原理大同小異，這里介紹JVC的一種基本測試方法如下：

　　測試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍所需的設(shè)備及條件

　　測試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍所需要的設(shè)備如下5點(diǎn)：

　　·透射灰度卡與反射灰度卡;

　　·亮度可調(diào)的背光燈箱與亮度可調(diào)的照射光源;

　　·視頻監(jiān)視器與波形監(jiān)視器;

　　·測光表或照度計(jì);

　　·標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)鏡頭等。

　　測試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的條件：需要在暗室內(nèi)進(jìn)行。

　　測試攝像機(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2套雙階灰度測試卡，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2500Lx;另外1套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可調(diào)的照射光源，以用于測定動(dòng)態(tài)范圍的臨界值;

　　·第二步：架設(shè)待測攝像機(jī)與灰度測試卡中心同水平面高度，并保持與灰度測試卡垂直平面呈90°夾角，同時(shí)使攝像機(jī)鏡頭視角能涵蓋2套灰度測試卡;

　　·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2500Lx。顯然，在這種照度下是曝光過度的(出廠的標(biāo)準(zhǔn)照度多為2000Lx)，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2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試卡波形的頂電平。當(dāng)頂電平因?yàn)楣庠凑斩冉档投_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2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。

　　測試結(jié)果計(jì)算

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

　　動(dòng)態(tài)范圍=20logL1/L2(dB)(3)用上述測試方法測得JVC的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)TK-WD310EC的頂電平變化自2200Lx開始至1.1Lx結(jié)束，由式(2)可得

　　動(dòng)態(tài)范圍=20log2200/1.1=66dB

　　用上述測試方法測得某公司的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的頂電平變化自1500Lx開始至5Lx結(jié)束的動(dòng)態(tài)范圍為

　　動(dòng)態(tài)范圍=20log1500/5=49dB

　　JEITA的動(dòng)態(tài)范圍測試方法

　　JEITA是日本電子資訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的簡稱，其對(duì)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測量方法也是采用灰階測試卡。實(shí)際上，是否能夠準(zhǔn)確確定動(dòng)態(tài)范圍，一個(gè)重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動(dòng)態(tài)范圍的全部取值。比如KodakQ-14測試卡，相鄰灰階格的刻度差是1/3光圈級(jí)數(shù)(f-stop)，最多只能測量出5.66檔或大約34分貝的動(dòng)態(tài)范圍。

　　使用JEITA方法測量動(dòng)態(tài)范圍和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率時(shí)，灰階測試卡的gamma值指定為2.2，總共有十個(gè)灰階級(jí)別，能夠測出的動(dòng)態(tài)范圍與Q-14灰階測試卡基本相同。按照這種方法的規(guī)格說明書所述，將兩張灰階測試卡并排放置，二者中間以屏幕相隔。再用兩臺(tái)不同的照明光源分別照射屏幕兩側(cè)的測試卡，如圖2所示。

圖2JEITA動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率測量裝置

　　JEITA方法中規(guī)定，對(duì)測試卡較亮的一端不斷增加照明強(qiáng)度或增大光圈，直到剛好可以區(qū)分出最亮的兩個(gè)灰階級(jí)別，然后對(duì)測試卡較暗的一端不斷減小照明強(qiáng)度直到最亮的灰階級(jí)別(白色)達(dá)到50IRE。用前述測試法中的公式(3)即可計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展比率(dB)，即

　　動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率(dB)=20log(L3/L4)

　　這種方法雖然算出了動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展值，但它完全忽略了成像器捕捉中間色調(diào)的能力。JEITA方法并沒有克服兩次曝光CCD傳感器的主要缺陷，因?yàn)樵摲椒ㄖ魂P(guān)注于對(duì)較高和較低色調(diào)范圍以內(nèi)的不同灰階值的區(qū)分。

　　JEITA方法的缺陷是：所有的測試裝置都沒有明確指定;沒有指明怎樣放置照明設(shè)備，使用何種類型的光線，甚至沒有說明如何準(zhǔn)確衡量照明強(qiáng)度。這就意味著，實(shí)驗(yàn)裝置和測量條件的變化都會(huì)影響最終的測量結(jié)果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展值，而不是總體的測量范圍，因?yàn)樵摲椒ú⑽粗该魅绾未_定基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍或總體動(dòng)態(tài)范圍。

　　Pixim的動(dòng)態(tài)范圍測量方法

　　為了消除上面的缺陷，讓測量實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性，使得在測量過程中可以對(duì)所有色調(diào)級(jí)別同時(shí)進(jìn)行觀察和比較，Pixim使用一套定制的儀器裝置來測量動(dòng)態(tài)范圍。該套裝置包含一個(gè)燈箱，它使用700瓦的白熾燈光對(duì)透光步進(jìn)卡進(jìn)行背光投射。測量使用的步進(jìn)式光楔均由SinePatternsLLC公司生產(chǎn)，兩個(gè)光楔重疊在一起最高可測量ND值為0.1到6.1或大約120分貝的密度范圍。

　　要在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上或在打印文檔中準(zhǔn)確顯示很寬的動(dòng)態(tài)場景顯然并不容易，但是PiximDPS技術(shù)卻能很好地捕捉到超寬動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)呈現(xiàn)單調(diào)灰階和中間灰階響應(yīng)。

　　使用兩次曝光方法的CCD攝像機(jī)拍攝的同一圖片，請(qǐng)注意，盡管該相機(jī)自稱具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，但事實(shí)上還是可以從圖片中場景高亮部分的暈光現(xiàn)象和中間色調(diào)的串色現(xiàn)象看出其明顯的局限性。另外，就對(duì)中間色調(diào)的響應(yīng)來說，該相機(jī)的響應(yīng)過于平乏，與PiximDPS相機(jī)單調(diào)分明的響應(yīng)相比，誰優(yōu)誰劣，一看便知。

　　結(jié)語

　　上面介紹了動(dòng)態(tài)范圍的概念及3種具體測試方法，可供使用者選用參考。由他們測試的兩種攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)性能看，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)不如CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)好。CCD雖然靈敏度高，但響應(yīng)速度較低，并不適用于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)多采用CMOS成像器件。又由于CMOS成像器件所具有的寬動(dòng)態(tài)范圍、高速數(shù)字讀出、無列讀出噪聲或固定圖形噪聲、工作速度更快、功耗更低的優(yōu)點(diǎn)，使它能更方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與智能化。顯然，CMOS攝像機(jī)潛力巨大，其在動(dòng)態(tài)范圍等方面優(yōu)異的性能，今后將會(huì)逐步取代CCD攝像機(jī)而占領(lǐng)市場。