視頻監控攝像機動態范圍的幾種測試方法

　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