寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)成為安防技術(shù)的熱點(diǎn)已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，廠家也都有把它作為主要的賣點(diǎn)，但是對(duì)于寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在技術(shù)上深入的分析卻很少。通常認(rèn)為：實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)的技術(shù)越復(fù)雜、技術(shù)指標(biāo)(數(shù)值)越高，攝像機(jī)的圖像效果就越好，攝像機(jī)的應(yīng)用范圍就越廣。其實(shí)不然、攝像器件適應(yīng)景物照度的能力是有限度的，因此可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍是有限值的;同時(shí)，人眼視覺(jué)特性可以適應(yīng)(接受)的動(dòng)態(tài)范圍也是有限度的。而且，目前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)試方法(標(biāo)準(zhǔn))，各廠家給出的技術(shù)指標(biāo)差別很大、含義不同，沒(méi)有可比性。筆者曾寫(xiě)過(guò)《寬動(dòng)態(tài)技術(shù)研修與商榷》一文，文中說(shuō)明了各種寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的原理，本文在此基礎(chǔ)上對(duì)各種上寬動(dòng)態(tài)技術(shù)進(jìn)行比較，并重點(diǎn)說(shuō)明寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的測(cè)試，以期引起更深入的探討。

　　寬動(dòng)態(tài)的概念

　　攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍有兩方面的含義：

　　一是指攝像設(shè)機(jī)適應(yīng)景物照度變化的能力。通常是時(shí)間域的概念，比如攝像機(jī)可全天(從早到晚)在自然光照下攝取良好的圖像。用可以適應(yīng)的最高照度和最低照度的范圍(比值)來(lái)表示;另一是指攝像機(jī)對(duì)一個(gè)場(chǎng)景(一幅圖像)可以適應(yīng)其照度差別的能力，這顯然是空間域的概念。就是說(shuō)：對(duì)一幅圖像而言，保證圖像具有適中的反差(灰度變化)，可以適應(yīng)其中最明亮部分和最暗淡部分的照度的變化范圍。它的作用是使攝像機(jī)可在逆光情況下，或景物中具有過(guò)亮、過(guò)暗部分時(shí)，可以攝取良好的圖像，圖像各部分的細(xì)節(jié)都能得到較好的表現(xiàn)。

　　在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，寬動(dòng)態(tài)就是指：攝像機(jī)在空間域中適應(yīng)照度反差(變化范圍)的能力。而“寬”是強(qiáng)調(diào)，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍很大地超過(guò)普通攝像機(jī)。

　　解決上述兩個(gè)方面的問(wèn)題可以采用不同的方法，自然也是分為兩類，一是時(shí)間域的處理，一是空間域的處理。它們的適用范圍不同，效果也不同。

　　傳統(tǒng)的時(shí)域處理

　　通過(guò)圖1可以說(shuō)明傳統(tǒng)的時(shí)域處理技術(shù)。首先解釋圖中各種曲線和標(biāo)記，圖中的理論曲線(粗虛斜線)是假設(shè)攝像器件可以適應(yīng)無(wú)限范圍的照度時(shí)，攝像器件的輸出曲線，景物照度與圖像信號(hào)輸出呈線性。但攝像器件只能適應(yīng)有限范圍的照度，特別是當(dāng)照度高到一定值后，器件會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。既攝像器件有最大輸出的限值(圖中水平細(xì)虛線)，表示攝像器件的輸出不能超過(guò)這個(gè)限值。這是寬動(dòng)態(tài)限值的根本原因。

　　根據(jù)攝像器件的技術(shù)能力，并結(jié)合人眼的視覺(jué)特性，電視標(biāo)準(zhǔn)把攝像機(jī)視頻輸出的圖像信號(hào)0.7V時(shí)，攝像器件的輸出定為最大輸出。實(shí)際曲線是的攝像器件輸出經(jīng)各種技術(shù)處理之后的綜合結(jié)果(是攝像機(jī)視頻輸出的等效表示)。主要技術(shù)有：

　　1、Y校正、AGC(自動(dòng)增益控制)，都是傳統(tǒng)時(shí)域處理的電路技術(shù)。前者工作在低照度段，為了補(bǔ)償電視機(jī)顯像管電/光轉(zhuǎn)換特性的非線性失真，因此、具有提高攝像機(jī)靈敏度，提升低照度段的圖像亮度，改善圖像質(zhì)量的作用。一般有3dB的調(diào)節(jié)范圍;后者、通過(guò)電路增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得在一定照度變化范圍內(nèi)，攝像機(jī)圖像信號(hào)保持穩(wěn)定的輸出。AGC通常工作在中等照度段，具有15-18dB的調(diào)節(jié)能力。

　　2、光圈調(diào)節(jié)，通過(guò)改變攝像機(jī)鏡頭的光欄孔徑來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)光量，從而調(diào)節(jié)攝像器件的圖像信號(hào)輸出。檢測(cè)攝像機(jī)輸出信號(hào)的幅度，用以產(chǎn)生鏡頭光圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)調(diào)節(jié)鏡頭的孔徑，就是自動(dòng)光圈鏡頭。它是對(duì)圖像整體(亮度)的調(diào)節(jié)，范圍由鏡頭的最大光圈與最小光圈之比來(lái)度量(數(shù)值是兩者比值的平方)，最高可達(dá)10萬(wàn)倍。

　　采用這樣的鏡頭，攝像機(jī)可以適應(yīng)全天室外自然環(huán)境的應(yīng)用。自動(dòng)光圈的調(diào)整方式有平均值和峰值兩種，實(shí)質(zhì)上是控制電路基準(zhǔn)(參考)值設(shè)定方式的不同。前者是以整個(gè)圖像的平均亮度為基準(zhǔn)，后者則是以圖像中的最高亮度為基準(zhǔn)。大多數(shù)情況應(yīng)設(shè)在平均值方式;如圖像中有過(guò)分明亮的部分，又是觀察者注意的內(nèi)容，設(shè)在峰值方式為宜，但它壓低了圖像較暗部分的亮度，會(huì)使其細(xì)節(jié)不能表現(xiàn)出來(lái)(見(jiàn)圖2)。

　　3、電子快門(mén)，利用CCD器件的溢出功能，改變器件的曝光時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的輸出。它不是調(diào)節(jié)進(jìn)光量，而是調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，因此，稱為電子快門(mén)。攝像機(jī)的電子快門(mén)可以人工設(shè)置，也可能自動(dòng)調(diào)節(jié)，工作原理與自動(dòng)光圈相同。調(diào)節(jié)范圍就是標(biāo)準(zhǔn)曝光時(shí)間與可以設(shè)定的最小曝光時(shí)間的比值，一般為幾百倍。攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)曝光時(shí)間是由電視制式和CCD積累方式?jīng)Q定的，通常為1/50s(20ms)，目前攝像機(jī)最小快門(mén)可達(dá)1/20000s。

　　空間域處理

　　顯然，時(shí)域處理技術(shù)可以有效的解決動(dòng)態(tài)范圍第一個(gè)方面的問(wèn)題，但對(duì)第二個(gè)方面問(wèn)題作用不大，圖2可以清楚說(shuō)明這一點(diǎn)。

　　曲線1是自動(dòng)光圈或電子快門(mén)產(chǎn)生的效果，可以看出：它線性地改變了整個(gè)圖像的特性曲線，而擴(kuò)大了適應(yīng)照度變化的范圍，但對(duì)一幅圖像照度反差的調(diào)節(jié)卻很小，而且，在抑制高照度部分時(shí)也壓低了低照度部分。

　　要想實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)，曲線2最佳的，既要抑制高照度部分，又要增強(qiáng)低照度部分。這是上述技術(shù)不能完成的，必須采用新的空間域處理的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)。

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)

　　安全需求的特殊性在于：要求攝像機(jī)能在惡劣環(huán)境下獲得有效的圖像，它包括在低照度下攝取圖像，也就是高靈敏度;更重要的是能同時(shí)表現(xiàn)出一幅圖像中高度照度部分和低照度部分的細(xì)節(jié)。解決這個(gè)問(wèn)題采用時(shí)間域處理是不行的，必須對(duì)圖像進(jìn)行空間域的變換;同時(shí)，應(yīng)在攝像器件的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行，不能在圖像信號(hào)處理過(guò)程中進(jìn)行，既寬動(dòng)態(tài)技術(shù)必須以攝像器件為基礎(chǔ)(根據(jù)其技術(shù)特點(diǎn))來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用較多的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)主要有：

　　背光補(bǔ)償

　　背光補(bǔ)償是最早應(yīng)用的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，它是將一幅圖像進(jìn)行分區(qū)域(依其照度來(lái)劃分)的處理，通過(guò)設(shè)定不同的亮度控制閾值，來(lái)突出圖像各區(qū)域的細(xì)節(jié)。目前攝像機(jī)還普遍采用這種技術(shù)。

　　它對(duì)表現(xiàn)圖像中亮背景下低亮度部分的細(xì)節(jié)很有效，故稱為背光補(bǔ)償。反之則不佳、因?yàn)樵趫D像信號(hào)處理時(shí)，圖像高亮度部分的細(xì)節(jié)已經(jīng)丟失了。

　　雙曝光技術(shù)

　　通過(guò)CCD曝光控制與圖像信號(hào)處理相結(jié)合，可以同時(shí)得到圖像高照度部分和低照度部分細(xì)節(jié)的一種方法，采用通常的CCD芯片就可以實(shí)現(xiàn)。如針對(duì)低照度部分，采用10ms固定曝光，針對(duì)高照度部分，采用高速快門(mén)曝光(曝光時(shí)間隨照度調(diào)節(jié)，如圖3上所示)，兩次曝光形成的圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算生成最終的輸出信號(hào)。這種方式可以得到不錯(cuò)的效果，但也有不足，它降低了低照度部分的曝光量(比正常圖像低了一倍)，使得暗部的圖像質(zhì)量下降。還有，在一場(chǎng)期間進(jìn)行兩次曝光，要求CCD進(jìn)行兩次電荷轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)移速度加倍)，也是不利于攝像機(jī)電路的設(shè)計(jì)。但它不增加總的曝光時(shí)間，圖像信號(hào)運(yùn)算所產(chǎn)生的延遲不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像產(chǎn)生影響。

　　雙曝光方式還可在兩幀圖像進(jìn)行(如圖3下所示)，一幀采用標(biāo)準(zhǔn)快門(mén)(20ms)，生成一幀圖像信號(hào)存貯在存貯器里，下一幀采用高速快門(mén)曝光，生成另一幀圖像也存在存貯器中，它的作用是獲得高亮度部分的細(xì)節(jié)(在上場(chǎng)圖像已丟失)。兩者經(jīng)DSP運(yùn)算形成最終的輸出圖像。由于它加倍了總的曝光時(shí)間，會(huì)影響高速運(yùn)動(dòng)圖像的清晰度，但它對(duì)圖像低亮度部分有增強(qiáng)作用(未完，后續(xù)請(qǐng)見(jiàn)下期)。

　　下期將給大家?guī)?lái)寬動(dòng)態(tài)多重取樣技術(shù)等內(nèi)容的分析及介紹，敬請(qǐng)期待。