宽动态的概念
摄像机的动态范围有两方面的含义：
一是指摄像设机适应景物照度变化的能力。通常是时间域的概念，比如摄像机可全天(从早到晚)在自然光照下摄取良好的图像。用可以适应的最高照度和最低照度的范围(比值)来表示;另一是指摄像机对一个场景(一幅图像)可以适应其照度差别的能力，这显然是空间域的概念。就是说：对一幅图像而言，保证图像具有适中的反差(灰度变化)，可以适应其中最明亮部分和最暗淡部分的照度的变化范围。它的作用是使摄像机可在逆光情况下，或景物中具有过亮、过暗部分时，可以摄取良好的图像，图像各部分的细节都能得到较好的表现。
在视频监控领域，宽动态就是指：摄像机在空间域中适应照度反差(变化范围)的能力。而“宽”是强调，宽动态摄像机的动态范围很大地超过普通摄像机。
解决上述两个方面的问题可以采用不同的方法，自然也是分为两类，一是时间域的处理，一是空间域的处理。它们的适用范围不同，效果也不同。
传统的时域处理
通过图1可以说明传统的时域处理技术。首先解释图中各种曲线和标记，图中的理论曲线(粗虚斜线)是假设摄像器件可以适应无限范围的照度时，摄像器件的输出曲线，景物照度与图像信号输出呈线性。但摄像器件只能适应有限范围的照度，特别是当照度高到一定值后，器件会出现饱和现象。既摄像器件有最大输出的限值(图中水平细虚线)，表示摄像器件的输出不能超过这个限值。这是宽动态限值的根本原因。
根据摄像器件的技术能力，并结合人眼的视觉特性，电视标准把摄像机视频输出的图像信号0.7V时，摄像器件的输出定为最大输出。实际曲线是的摄像器件输出经各种技术处理之后的综合结果(是摄像机视频输出的等效表示)。主要技术有：
1、Y校正、AGC(自动增益控制)，都是传统时域处理的电路技术。前者工作在低照度段，为了补偿电视机显像管电/光转换特性的非线性失真，因此、具有提高摄像机灵敏度，提升低照度段的图像亮度，改善图像质量的作用。一般有3dB的调节范围;后者、通过电路增益的自动调节，使得在一定照度变化范围内，摄像机图像信号保持稳定的输出。AGC通常工作在中等照度段，具有15-18dB的调节能力。
2、光圈调节，通过改变摄像机镜头的光栏孔径来调节进光量，从而调节摄像器件的图像信号输出。检测摄像机输出信号的幅度，用以产生镜头光圈电机的驱动电压来调节镜头的孔径，就是自动光圈镜头。它是对图像整体(亮度)的调节，范围由镜头的最大光圈与最小光圈之比来度量(数值是两者比值的平方)，最高可达10万倍。
采用这样的镜头，摄像机可以适应全天室外自然环境的应用。自动光圈的调整方式有平均值和峰值两种，实质上是控制电路基准(参考)值设定方式的不同。前者是以整个图像的平均亮度为基准，后者则是以图像中的最高亮度为基准。大多数情况应设在平均值方式;如图像中有过分明亮的部分，又是观察者注意的内容，设在峰值方式为宜，但它压低了图像较暗部分的亮度，会使其细节不能表现出来(见图2)。
3、电子快门，利用CCD器件的溢出功能，改变器件的曝光时间来调节摄像机的输出。它不是调节进光量，而是调节曝光时间，因此，称为电子快门。摄像机的电子快门可以人工设置，也可能自动调节，工作原理与自动光圈相同。调节范围就是标准曝光时间与可以设定的最小曝光时间的比值，一般为几百倍。摄像机标准曝光时间是由电视制式和CCD积累方式决定的，通常为1/50s(20ms)，目前摄像机最小快门可达1/20000s。
空间域处理
显然，时域处理技术可以有效的解决动态范围第一个方面的问题，但对第二个方面问题作用不大，图2可以清楚说明这一点。
曲线1是自动光圈或电子快门产生的效果，可以看出：它线性地改变了整个图像的特性曲线，而扩大了适应照度变化的范围，但对一幅图像照度反差的调节却很小，而且，在抑制高照度部分时也压低了低照度部分。
要想实现宽动态，曲线2最佳的，既要抑制高照度部分，又要增强低照度部分。这是上述技术不能完成的，必须采用新的空间域处理的宽动态技术。
宽动态技术
安全需求的特殊性在于：要求摄像机能在恶劣环境下获得有效的图像，它包括在低照度下摄取图像，也就是高灵敏度;更重要的是能同时表现出一幅图像中高度照度部分和低照度部分的细节。解决这个问题采用时间域处理是不行的，必须对图像进行空间域的变换;同时，应在摄像器件的光电转换过程中进行，不能在图像信号处理过程中进行，既宽动态技术必须以摄像器件为基础(根据其技术特点)来实现。目前应用较多的宽动态技术主要有：
背光补偿
背光补偿是最早应用的宽动态技术，它是将一幅图像进行分区域(依其照度来划分)的处理，通过设定不同的亮度控制阈值，来突出图像各区域的细节。目前摄像机还普遍采用这种技术。
它对表现图像中亮背景下低亮度部分的细节很有效，故称为背光补偿。反之则不佳、因为在图像信号处理时，图像高亮度部分的细节已经丢失了。
双曝光技术
通过CCD曝光控制与图像信号处理相结合，可以同时得到图像高照度部分和低照度部分细节的一种方法，采用通常的CCD芯片就可以实现。如针对低照度部分，采用10ms固定曝光，针对高照度部分，采用高速快门曝光(曝光时间随照度调节，如图3上所示)，两次曝光形成的图像信号经过运算生成最终的输出信号。这种方式可以得到不错的效果，但也有不足，它降低了低照度部分的曝光量(比正常图像低了一倍)，使得暗部的图像质量下降。还有，在一场期间进行两次曝光，要求CCD进行两次电荷转换(转移速度加倍)，也是不利于摄像机电路的设计。但它不增加总的曝光时间，图像信号运算所产生的延迟不会对运动图像产生影响。
双曝光方式还可在两帧图像进行(如图3下所示)，一帧采用标准快门(20ms)，生成一帧图像信号存贮在存贮器里，下一帧采用高速快门曝光，生成另一帧图像也存在存贮器中，它的作用是获得高亮度部分的细节(在上场图像已丢失)。两者经DSP运算形成最终的输出图像。由于它加倍了总的曝光时间，会影响高速运动图像的清晰度，但它对图像低亮度部分有增强作用(未完，后续请见下期)。
下期将给大家带来宽动态多重取样技术等内容的分析及介绍，敬请期待。
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