摘要：在應用安防監控攝像機時，經常會出現明暗反差較大或逆光的場景，使得圖像中明亮的區域曝光過度、較暗的區域欠曝光，而不能看清圖像最亮與最暗部分。因此，各攝像機廠家競相開發了寬動態攝像機。但如何檢測其寬動態性能，是工程商等應用人員急需了解的。本文介紹攝像機動態范圍的基本概念，重點介紹國外三大廠商各自對監控攝像機動態范圍的具體測試方法，以供工程商等應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，室內照度為100Lux，而外面風景的照度可能是10000Lux，因此當攝像機從室內看窗戶外面，兩者對比就是10000/100=100∶1。這個對比人眼能很容易地看到，因為人眼能處理1000∶1的對比度，但傳統的安防監控攝像機則不行，因為它只有3∶1的對比性能。因此，在出現明暗反差較大或逆光的場景應用安防監控攝像機時，會使整個圖像中明亮的區域曝光過度、較暗的區域曝光不足，而看不清圖像最亮與最暗部分。如在銀行儲蓄所、重要場所出入口等。因為從窗外射入的強光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對當時室內外景象的捕獲造成困難，不能同時將反差很大的室內外場景清晰地拍攝下來。其所拍攝圖像會出現背景過亮前景過暗，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，一般會采用背光補償技術或在室內外架設兩臺攝像機來適應較大的光線反差，但效果不理想。擴展動態范圍的技術隨之應運而生，即現今所說的寬動態WDR(Wide Dynamic Range)技術。

　　松下從1977年首推第一代寬動態CCD攝像機起;到1999年又推出了第二代;2003~2008年再次推出第三代超級動態CCD攝像機。在此期間，索尼、JVC、三星等也相繼推出了自已的寬動態CCD攝像機。至今，在安防監控領域一次又一次的技術改革中，帶動了安防產業的飛速發展。

　　CCD寬動態技術是采用特殊DSP(數字信號處理)電路，對明亮部分進行最合適的快門速度曝光，其后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個圖像進行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倍動態范圍技術雖具有大的寬動態，實現圖像灰度的優化等優點，但其對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，攝像機的寬動態范圍也只能到66dB。

　　顯然，由于CCD的感光特性限制，在技術上很難再有重大突破，而CMOS攝像機由于其圖像傳感器本身的優異性能，或有突出的表現。如一般的線性輸出模式的動態范圍就可達40~60dB;加拿大Dalsa公司采用線性-對數輸出模式的IM28-SA型CMOS攝像機，其動態范圍就可高達120dB;Apical有限公司結合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寬動態攝像機;美國PIXIM公司開發了CMOS-DPS技術，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;典型寬動態范圍從95dB 到120dB。據消息透露，有的CMOS的寬動態技術甚至已能達到160dB。因此可預見，未來的監控攝像機屬于寬動態攝像機，而寬動態技術則屬于CMOS。

　　目前，在全球市場上，有50多個國家約100種類型的寬動態攝像機投入實際應用，然而其中多數攝像機制造商皆采用了Pixim的DPS技術。這是因為DPS芯片的核心技術是在每一個像素里有ADC。也就是在準確的捕捉點上，光信號被轉化成數字信號。這樣做的好處是使像素間沒有串擾和沒有信號損失。這也意味著噪波大大降低并形成了一個超級動態范圍，這樣就避免了垂直光斑的產生。如日本池上廣播級攝像機低垂直光斑達到-135dB，是所有廣播級攝像機這項指標最好的。圖1就是日本池上基于低垂直光斑和Pixim DPS技術的CMOS寬動態攝像機ISD-A10和普通CCD攝像機拍攝車燈時低垂直光斑效果圖。

圖1  CMOS寬動態攝像機ISD-A10和普通CCD攝像機拍攝車燈之時低垂直光斑效果比較

　　對CCD攝像機來說，光斑是CCD傳感器的一個特性，在傳感器中沒有任何東西可以阻止強光穿射的曝光和在CCD上產生更多的電子，結果是在圖像中強烈的光出現時通常垂直斑紋也出現，在圖像中遮蓋了相關的細節。實際使用中，很多具有低垂直光斑攝像機使用IT CCD芯片來減少光斑的數量，因為IT芯片能提供的更多好處在于高的信噪比和較低光斑。

　　目前，市場上寬動態攝像機很多，但如何檢測其寬動態性能，是工程商等應用人員急需了解的。本文介紹攝像機動態范圍的基本概念，重點介紹國外三大廠商各自對監控攝像機動態范圍的具體測試方法，供工程商等應用人員測試選用參考。

　　攝像機動態范圍的基本概念

　　所謂寬動態實際是指攝像機同時可以看清楚圖像最亮與最暗部分的照度比值。而“動態范圍”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。攝像機的“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。即表示攝像機對圖像的最“暗”和最“亮”的調整范圍，是靜態圖像或視頻幀中最亮色調與最暗色調的比值。而色調能呈現出圖像或幀中的精準細節，作為兩種色調的比值，動態范圍的單位可以是分貝、比特、檔，或者簡單以比率或倍數來表示。各種單位之間的換算方法如表1所示。

 表1  動態范圍各單位之間的換算方法

　　表1僅列出了20檔動態范圍，因為這幾乎涵蓋了人眼所能分辨的所有動態范圍，超過這些檔位的動態范圍已沒有太大的實際意義。人眼之所以能分辨出跨度如此之廣的動態范圍，是因為人在觀察實景時，瞳孔、虹膜、視網膜和相關肌肉會相互作用、動態調整，同時，大腦會將所有“曝光元素”整合為一幅連貫的圖像，極其精準地反映出實景中十分明亮或十分暗淡的色調。

　　與人眼相比，對于標準CCD和CMOS圖像傳感器來說，所有感光單元的曝光(收集光子)時間都是相同的。感光單元對景物明亮部分收集的光子較多，對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量卻受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調的感光單元有可能會溢出或飽和。為防止出現這種情況，可以減少曝光時間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調的感光單元可能又無法收集到足夠多的光子。因此，對于典型的單次曝光的圖像傳感器，其動態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攝像器件的動態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

　　動態范圍=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，動態范圍也可這樣來定義和計算，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;其數值也是輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比(通常用dB表示)，即

　　動態范圍=USp-p/UNp-p(2)式(2)USp-p為輸出信號峰值電壓。

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

　　顯然，確定攝像機成像器的動態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信息由上述公式計算得出;另一種是使用灰階測試卡和實驗儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級別的方法得出。盡管采用計算的方法可在理論上算出動態范圍的極限值，但通常人們還是傾向于使用測量的方法，因為它能反映用戶對攝像機成像效果的實際體驗。下面就具體介紹國外三大廠家對攝像機動態范圍的實際測試方法。

　　JVC的動態范圍測試方法

　　對攝像機動態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：

　　測試攝像機動態范圍所需的設備及條件

　　測試攝像機動態范圍所需要的設備如下5點：

　　·透射灰度卡與反射灰度卡;

　　·亮度可調的背光燈箱與亮度可調的照射光源;

　　·視頻監視器與波形監視器;

　　·測光表或照度計;

　　·標準內鏡頭等。

　　測試攝像機動態范圍的條件：需要在暗室內進行。

　　測試攝像機動態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的背光光源作為恒定參照，調整背光源亮度，確保自正面中心確認白塊表面的發散照度為2500Lx;另外1套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可調的照射光源，以用于測定動態范圍的臨界值;

　　·第二步：架設待測攝像機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，同時使攝像機鏡頭視角能涵蓋2套灰度測試卡;

　　·第三步：將攝像機的輸出信號連接到視頻監視器與波形監視器;

　　·第四步：在攝像機加電穩定后，開啟擴展動態范圍功能，將正面的照射光源的亮度調整到2500Lx。顯然，在這種照度下是曝光過度的(出廠的標準照度多為2000Lx)，此時反射灰度卡的白色端條紋可能會出現層次混合，即有2條或更多灰度條表現出相同的白色，而分辨不出亮度的差別;

　　·第五步：再不斷緩慢降低光源亮度，并不斷從波形監視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當頂電平因為光源照度降低而開始相應降低時，記錄此時的照度值(如L1)，這一照度值即為該攝像機動態范圍的上限。此時的攝像機應當正好可以表現出亮度較大的白色條紋之間的亮度層次區別;

　　·第六步：然后再不斷繼續緩慢降低亮度，并不斷從波形監視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當頂電平不再因為光源照度降低而繼續相應降低時，記錄此時的照度值(如L2)，這一照度值即為該攝像機動態范圍的下限。此時攝像機拍攝的灰度卡圖像中在亮度暗的2個灰黑色條紋之間的亮度層次區別應當正好消失而混合成一塊黑色。

　　測試結果計算

　　用上述實際測試方法計算動態范圍的公式如下：

　　動態范圍=20logL1/L2(dB)(3)用上述測試方法測得JVC的CCD寬動態攝像機TK-WD310EC的頂電平變化自2200Lx開始至1.1Lx結束，由式(2)可得

　　動態范圍=20log2200/1.1=66dB

　　用上述測試方法測得某公司的CCD寬動態攝像機的頂電平變化自1500Lx開始至5Lx結束的動態范圍為

　　動態范圍=20log1500/5=49dB

　　JEITA的動態范圍測試方法

　　JEITA是日本電子資訊技術產業協會的簡稱，其對攝像機動態范圍的測量方法也是采用灰階測試卡。實際上，是否能夠準確確定動態范圍，一個重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動態范圍的全部取值。比如KodakQ-14測試卡，相鄰灰階格的刻度差是1/3光圈級數(f-stop)，最多只能測量出5.66檔或大約34分貝的動態范圍。

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

圖2JEITA動態范圍擴展比率測量裝置

　　JEITA方法中規定，對測試卡較亮的一端不斷增加照明強度或增大光圈，直到剛好可以區分出最亮的兩個灰階級別，然后對測試卡較暗的一端不斷減小照明強度直到最亮的灰階級別(白色)達到50IRE。用前述測試法中的公式(3)即可計算動態范圍的擴展比率(dB)，即

　　動態范圍擴展比率(dB)=20log(L3/L4)

　　這種方法雖然算出了動態范圍擴展值，但它完全忽略了成像器捕捉中間色調的能力。JEITA方法并沒有克服兩次曝光CCD傳感器的主要缺陷，因為該方法只關注于對較高和較低色調范圍以內的不同灰階值的區分。

　　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備，使用何種類型的光線，甚至沒有說明如何準確衡量照明強度。這就意味著，實驗裝置和測量條件的變化都會影響最終的測量結果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動態范圍擴展值，而不是總體的測量范圍，因為該方法并未指明如何確定基準動態范圍或總體動態范圍。

　　Pixim的動態范圍測量方法

　　為了消除上面的缺陷，讓測量實驗具有可重復性，使得在測量過程中可以對所有色調級別同時進行觀察和比較，Pixim使用一套定制的儀器裝置來測量動態范圍。該套裝置包含一個燈箱，它使用700瓦的白熾燈光對透光步進卡進行背光投射。測量使用的步進式光楔均由SinePatternsLLC公司生產，兩個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。

　　要在計算機監視器上或在打印文檔中準確顯示很寬的動態場景顯然并不容易，但是PiximDPS技術卻能很好地捕捉到超寬動態圖像，同時呈現單調灰階和中間灰階響應。

　　使用兩次曝光方法的CCD攝像機拍攝的同一圖片，請注意，盡管該相機自稱具有很高的動態范圍，但事實上還是可以從圖片中場景高亮部分的暈光現象和中間色調的串色現象看出其明顯的局限性。另外，就對中間色調的響應來說，該相機的響應過于平乏，與PiximDPS相機單調分明的響應相比，誰優誰劣，一看便知。

　　結語

　　上面介紹了動態范圍的概念及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的寬動態性能看，CCD寬動態攝像機不如CMOS寬動態攝像機好。CCD雖然靈敏度高，但響應速度較低，并不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監控攝像機多采用CMOS成像器件。又由于CMOS成像器件所具有的寬動態范圍、高速數字讀出、無列讀出噪聲或固定圖形噪聲、工作速度更快、功耗更低的優點，使它能更方便地實現網絡化與智能化。顯然，CMOS攝像機潛力巨大，其在動態范圍等方面優異的性能，今后將會逐步取代CCD攝像機而占領市場。