CCD宽动态摄像机扩展范围与测试方法 - 安防知识网

在安防监控领域，所谓摄像机宽动态，即WDR(Wide DynamicRange)，实际上是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。因此，宽动态摄像机的动态范围，就是表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮” 的调整范围。摄像机的动态范围越大，图像所表现的图层就越丰富、清晰，当然图像的色彩空间就更广，也就是宽动态摄像机适应逆光环境的能力也更大。

【安防知识网】在安防监控领域，所谓摄像机宽动态，即WDR(Wide DynamicRange)，实际上是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。因此，宽动态摄像机的动态范围，就是表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮” 的调整范围。摄像机的动态范围越大，图像所表现的图层就越丰富、清晰，当然图像的色彩空间就更广，也就是宽动态摄像机适应逆光环境的能力也更大。

　　CCD摄像机扩展动态范围的方法

　　目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有如下4种：

　　1、单帧图像两次取样方法

　　首先，利用成像器件CCD对监控场景进行第一次标准速度曝光(如用1/50s快门) ，将得到的第一帧图像存储到数据缓冲存储器中;

　　其次，利用数字信号处理器DSP对送来的图像数据进行分析，如图像中较暗的部分曝光正常，而有部分曝光过度的区域(即高亮度区域)，就要进行亮度评估;

　　第三，根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光(如1/2000s快门)，并将第二次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中;

　　最后，再利用DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理算法，将两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，在一帧新的图像中合成起来即可。

　　此种方式就是所谓单帧图像“两次取样方式”，或“两次合成电子快门”。其典型特征则为基于中速感光器件及高速DSP的两次取样曝光及图像分割合成技术。

　　2、单帧图像多次取样方法

　　首先，利用成像器件CCD对监控场景进行第一次标准速度曝光(如用1/50s快门)，将得到的第一帧图像存储到数据缓冲存储器中;

　　其次，利用数字信号处理器DSP并通过特有的图像处理算法，对送来的图像数据进行分析，当图像中较暗的部分曝光正常，对曝光过度的区域(即高亮度区域)，进行亮度评估;

　　第三，根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光(如1/2000s快门)，并将第二次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中;

　　第四，根据对图像的最暗区域至最亮区域的中间过渡范围的整体评估，再对图像进行三次中间层次的曝光，这样又得到了三帧针对过渡范围内亮度不同的曝光图像;

　　最后，通过特有的图像识别算法，将上述5幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来，再在一帧新的图像中合成起来，完成并最终输出满意的图像即可。

　　此种方式就是单帧图像的“多次取样方式”，或“五次合成电子快门”。其典型特征则为基于高速感光器件及高速DSP的多次取样曝光及图像分割合成技术。

　　3、对数压缩放大方法

　　首先，利用成像器件CCD及标准测光/曝光控制电路对监控场景进行一次适当速度曝光，并将累计的电荷按照标准方式传送到后端的前置放大器进行放大。接着，前置放大器在对图像中亮度适当及较暗的区域进行放大时，采用接近线性的放大比(对数曲线的下端)，即随着图像亮度的提高而放大输出，这样放大器的放大比基本上是恒定的，以达到保持亮度适当及较暗区域的层次目的;前置放大器在对图像中亮度较高的区域进行放大时，采用非线性(渐进斜率压缩)的放大方式(对数曲线的上端)，即随着图像亮度的提高而相应降低放大器的放大比例，这样放大器的放大比及输出电平会渐进，但非常迅速地下降，以达到压缩高亮度区域的目的。因此，使较暗区域的亮度适当，高亮度区域亮度压缩，以输出适中的图像。

　　此种方式即“对数压缩放大方式”，或“自动拐点取样方式”。其典型特征则为基于普通感光器件单次曝光及非线性前置放大器的对数曲线放大方式。

　　4、输出信号伽马修正方法

　　首先，利用成像器件CCD及标准测光/曝光控制电路对监控场景进行一次适当速度曝光，并将得到的图像存储到数据缓冲存储器中;

　　其次，通过所设计的模拟电路或利用DSP中特有的图像处理算法，对图像中的不同亮度层次进行取样，并将接近的层次划分成若干等级，其划分的等级数在数字处理方式中取决于图像的复杂程度及DSP的处理能力;

　　最后，按照用户要求的方式，分组逐渐降低高亮度层次间的灰阶关系，同时逐渐提高低亮度层次间的灰阶关系，以达到扩展低亮度区域的层次关系，压缩高亮度区域的层次关系的目的，从而间接地扩展了图像亮度的动态范围。

　　此种方式即“伽马修正方式”，或“灰阶比率修正方式”。其典型特征则为基于模拟电路或修正算法加DSP而进行单次曝光的输出灰阶比率修正方式。

[nextpage]　　摄像机动态范围的测试方法

　　对摄像机动态范围的测试方法可能不尽相同，但其测试原理大同小异，这里介绍一基本方法。

　　1、测试摄像机动态范围所需的设备及条件

　　测试的设备：

　　①透射灰度卡与反射灰度卡;

　　②亮度可调的背光灯箱与亮度可调的照射光源;

　　③视频监视器与波形监视器;

　　④测光表或照度计;

　　⑤标准内镜头等。

　　测试的条件：需要在暗室内进行。

　　2、测试摄像机动态范围的基本方法与步骤

　　第一步：在暗室中一桌子的同一垂直平面上安装两套双阶灰度测试卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可调的背光光源作为恒定参照，调整背光源亮度，确保自正面中心确认白块表面的发散照度为2500Lux;另外一套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可调的照射光源，以用于测定动态范围的临界值;

　　第二步：架设待测摄像机与灰度测试卡中心同水平面高度，并保持与灰度测试卡垂直平面呈90°夹角，同时使摄像机镜头视角能涵盖两套灰度测试卡;

　　第三步：将摄像机的输出信号连接到视频监视器与波形监视器;

　　第四步：在摄像机加电稳定后，开启扩展动态范围功能，将正面的照射光源的亮度调整到2500Lux。显然，在这种照度下是曝光过度的(出厂的标准照度多为2000Lux)，此时反射灰度卡的白色端条纹可能会出现层次混合，即有两条或更多灰度条表现出相同的白色，而分辨不出亮度的差别;

　　第五步：再不断缓慢降低光源亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。当顶电平因为光源照度降低而开始相应降低时，记录此时的照度值(如L1)，这一照度值即为该摄像机动态范围的上限。此时的摄像机应当正好可以表现出亮度较大的白色条纹之间的亮度层次区别;

　　第六步：然后再不断继续缓慢降低亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。当顶电平不再因为光源照度降低而继续相应降低时，记录此时的照度值(如L2)，这一照度值即为该摄像机动态范围的下限。此时摄像机拍摄的灰度卡图像中在亮度暗的两个灰黑色条纹之间的亮度层次区别应当正好消失而混合成一块黑色。