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    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(chǎng)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(guò)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(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)。其所拍攝圖像會(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)外架設(shè)兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)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(shuō)的寬動(dòng)態(tài)WDR(WideDynamicRange)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(mén)速度曝光，其后再對(duì)暗的部分用最合適的快門(mén)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CycloneIII和CycloneIVFPGA，利用AptinaMT9M033720pWDRCMOS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(guó)PIXIM公司開(kāi)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(jiàn)，未來(lái)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(chǎng)上，有50多個(gè)國(guó)家約100種類(lèi)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(méi)有串?dāng)_和沒(méi)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PiximDPS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(chē)燈時(shí)低垂直光斑效果圖。

　　對(duì)CCD攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，光斑是CCD傳感器的一個(gè)特性，在傳感器中沒(méi)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ITCCD芯片來(lái)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(chǎng)上寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)很多，但如何檢測(cè)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(guó)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(cè)試方法，供工程商等應(yīng)用人員測(cè)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(shuō)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(chǎng)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(jiǎn)單以比率或倍數(shù)來(lái)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(guò)這些檔位的動(dòng)態(tài)范圍已沒(méi)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(chǎng)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(lái)定義和計(jì)算，即由CCD勢(shì)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(chǎng)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(cè)試卡和實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)收集和觀察圖像，并測(cè)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(cè)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(guó)外三大廠家對(duì)攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)際測(cè)試方法。

　　JVC的動(dòng)態(tài)范圍測(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JVC的一種基本測(cè)試方法如下：

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