視頻監控攝像機動(dòng)態(tài)范圍的幾種測試方法

　摘要：在應用安防監控攝像機時(shí)，經(jīng)常會(huì )出現明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景，使得圖像中明亮的區域曝光過(guò)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(chǎng)家競相開(kāi)發(fā)了寬動(dòng)態(tài)攝像機。但如何檢測其寬動(dòng)態(tài)性能，是工程商等應用人員急需了解的。本文介紹攝像機動(dòng)態(tài)范圍的基本概念，重點(diǎn)介紹國外三大廠(chǎng)商各自對監控攝像機動(dòng)態(tài)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(xiàn)的排列是從120000Lux到星光夜里的0.00035Lux，室內照度為100Lux，而外面風(fēng)景的照度可能是10000Lux，因此當攝像機從室內看窗戶(hù)外面，兩者對比就是10000/100=100∶1。這個(gè)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(chǎng)景應用安防監控攝像機時(shí)，會(huì )使整個(gè)圖像中明亮的區域曝光過(guò)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(chǎng)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(xiàn)都可能對當時(shí)室內外景象的捕獲造成困難，不能同時(shí)將反差很大的室內外場(chǎng)景清晰地拍攝下來(lái)。其所拍攝圖像會(huì )出現背景過(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 )采用背光補償技術(shù)或在室內外架設兩臺攝像機來(lái)適應較大的光線(xiàn)反差，但效果不理想。擴展動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)隨之應運而生，即現今所說(shuō)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攝像機起;到1999年又推出了第二代;2003~2008年再次推出第三代超級動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)CCD攝像機。至今，在安防監控領(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(數字信號處理)電路，對明亮部分進(jìn)行最合適的快門(mén)速度曝光，其后再對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)現圖像灰度的優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，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(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攝像機由于其圖像傳感器本身的優(yōu)異性能，或有突出的表現。如一般的線(xiàn)性輸出模式的動(dòng)態(tài)范圍就可達40~60dB;加拿大Dalsa公司采用線(xiàn)性-對數輸出模式的IM28-SA型CMOS攝像機，其動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)攝像機;美國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(xiàn)提升到540線(xiàn)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。據消息透露，有的CMOS的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)甚至已能達到160dB。因此可預見(jiàn)，未來(lái)的監控攝像機屬于寬動(dòng)態(tài)攝像機，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)國家約100種類(lèi)型的寬動(dòng)態(tài)攝像機投入實(shí)際應用，然而其中多數攝像機制造商皆采用了Pixim的DPS技術(shù)。這是因為DPS芯片的核心技術(shù)是在每一個(gè)像素里有ADC。也就是在準確的捕捉點(diǎn)上，光信號被轉化成數字信號。這樣做的好處是使像素間沒(méi)有串擾和沒(méi)有信號損失。這也意味著(zhù)噪波大大降低并形成了一個(gè)超級動(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(shù)的CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機ISD-A10和普通CCD攝像機拍攝車(chē)燈時(shí)低垂直光斑效果圖。

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