2022年2022年宽动态技术原理 2.pdf

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1、什么是宽动态摄像机？宽动态摄像机是什么意思？潮宽动态是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色。宽动态摄像机比传统只具有3:1 动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux 到星光夜里的 0.00035Lux 。 当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100Lux， 而外面风景的照度可能是10,000Lux ，对比就是 10,000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1 的对比度，然而传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题，传统摄像机只有3:1 的对比性能， 它只能选择使用1/60 秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像

2、会被清除掉（全白）； 或者换种方法摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室内的影像会被清除（全黑）。这是一个自从摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。自从 40 多年前摄像机的出现至今，从最早的真空管摄像机到现在的以CMOS 、CCD 、DPS为感光器件的设想，而宽动态摄像机也在此基础上逐渐流行起来，关于不同技术的各种争论与探讨此起彼伏。2005 年开始，摄像机逐渐出现群雄逐鹿的竞争局面。这种局面将会随着摄像机技术的不断更新以及更多品牌的进入而逐渐白热化。随着摄像机更大范围的普及应用，其自身的优点与缺陷会同时存在，而对于摄像机监看效果要求的不断提高，特别在一些明暗反差过大的场景中

3、，传统普通摄像机对单一图像中最亮和最暗部分的平衡调整能力非常有限，一般以摄取进来的所有光线的平均值为基准，并决定曝光等级。如何提高成像系统中的动态范围，以便同时看清视场内前景与背景物体一直是研究者的目标。于是，具有良好宽动态功能：（ Wide-dynamic ）的摄像机逐渐成为各大摄像机生产厂商的目标和关注的焦点。动态范围的概念动态范围最早是信号系统的概念，一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。而在实际用途中，多用对数和比值来表示一个信号系统的动态范围，比如在音频工程中，一个放大器的动态范围可以表示为：D= log （Power_max / Power_min ） 10。

4、数字像机也可看作一个信号系统，所以动态范围可分为两个部分，即光学动态范围和输出动态范围。光学动态范围当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度显现为白色，而晦暗区域因曝光不足成为黑色。可见，摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在着局限的，这种局限我们通常称为光线的“动态范围”。其广义是指摄像机对拍摄场景中景物光照反应的适应能力，主要是亮度差和色温反差的适应范围。光学动态范围（ DR_Optical ）=饱和曝光量 / 噪声曝光量（暗电流）。数字相机的光学动态范围主要是由图像传感器决定

5、的。其中饱和曝光量指的是图像传感器达到最大的饱和容量时的曝光量，即无论再怎样增加曝光也无法接受更多的电子了。噪声曝光量相当于在全黑环境时图像传感器仅仅有本身暗电流时的曝光量。图像传感器的动态范围定义公式如下：动态范围(db) = 20*log(全电荷容量 / 暗电流容量 ) 图像传感器的动态范围定义的是传感器件最大蓄积电荷和最小噪声电荷的倍数关系。而摄像机的（光学）动态范围指的是其传感器达到这两种状态下对应的曝光量的倍数关系。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共

6、 3 页 - - - - - - - - - 输出动态围目前市场上使用的摄像机内都含有DSP （数字信号处理系统）。摄像机的图像是以数字的形式再通过D/A转换成模拟后输出，所以输出动态范围主要由A/D 位数决定。位数是决定数字图像系统的一个重要指标，对于一个数字图像系统，信息的存储最终是以数字的方式来进行。所以该系统中必定有一个模拟/ 数字转换器（ A/D Converter）。而 A/D 转换器的一个重要指标就是A/D 的位数。对于 3 位 2 进制来说，可以表达的最大值是2 的 3 次方即 8。8 位 2 进制可以表达的数值范围是0-255 ，16位的范围是 0-65535 等。那么什么是

7、 A/D 转换器的动态范围呢？对于一个8 位的 A/D， 它可以记录的最小信号是1， 最大信号是255，那么它的动态范围就是log(255/1)=2.4。这个值显然是不大的。但是注意不要把8 位的 A/D 和 8 位的色深搞混了。在彩色系统里一共有3 个通道，这里的8 位指的是每个通道的位数。对于彩色来讲就是24 位，也就是我们常说的真彩色。实际上对于 8 位的 JPG文件来说，能表达的亮度信息也就是这么多。这就是数字和模拟系统的不同之处。但实际上为了保留更大的余量和采用更好的输出方法，基本上各个厂商都采用14bit甚至 16bit的 A/D 转换器。对于数字系统， 位数和动态范围的对应关系，

8、可以说 A/D 转换器的动态范围对于图像成像的色彩至关重要，A/D 转换器的动态范围越大，对于图像来说更加能够反映所摄物体的自然色。多种宽动态技术齐放光彩1997 年松下推出基于其SD技术的第一代超动态技术摄像机，到今天为止，宽动态技术已发展到第三代。全球各大主要摄像机生产商也都相应推出了带有超宽动态技术的摄像机。虽然在实现宽动态上各家的做法方式多种多样，但CCD实现宽动态的道理基本一致。这一类型的摄像机采用了专用的DSP电路，首先对明亮的被摄物体用最适合的快门速度进行曝光，然后，再对暗的被摄物体用最适合的快门速度进行曝光，最后将这两个图像用DSP数字信号处理，将捕捉到的两幅图像重新组和在一张

9、可视图像上。扩大了可能处理的动态范围，使得明亮的被摄物体和暗的被摄物体都可以看得很清楚。但经过这样处理后的图像会失去其原有的色彩效果，这也是当前宽动态摄像机面临的最大问题。美国 Pixim 公司在斯坦福大学20 世纪 90 年代技术发展基础上研发了一种新型的图像拾取系统DPS ， 此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图片。宽动态功能划时代地提升了一副图像中亮和暗区域的影像拍摄效果，可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在动态范围上，DPS 采用的单一象素曝光和ARM7 控制技术，相比于CCD 的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说，采用DPS技术的摄像机的动态范围可到达95d

10、B，最高可至120dB。在扩大动态范围的同时，DPS 也解决了CCD 传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足，其色彩还原性更加真实，完全能够满足不同条件下不同客户的要求。使用这种技术的摄像机在数字图像传感器里每一个象素中都使用了一个模拟数字转换器（ADC ），在捕捉到光信号时直接转化为数字信号，最大程度上降低了信号在排列中的衰减和干扰。需要提出的是，虽然宽动态摄像机的出现弥补了普通摄像机在光线落中的缺点，但也存在不足。动态范围和灵敏度是两个矛盾因素，通常动态范围大的摄像机其灵敏度较低，而高灵敏度的摄像机动态范围相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高

11、质量的图像，但在名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 低照度情况下的使用状况并不是太好。这也是目前各生产宽动态摄像机厂家迫切要解决的技术问题。但随着技术的不断提升，这个困扰厂家的问题也将会迎刃而解。什么是宽动态技术（WDR:Wide Dynamic Range）什么叫宽动态？简单地说宽动态就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚。宽动态范围是图像能分辨最亮的亮度信号值与能分辨的最暗的亮光信号值的比值。宽

12、动态的表现方式以“倍数”或“dB”来表示，在以100IRE为标准时，换算公式：N dB=20log（V2/V1） 。普通摄像机 （称 V1）的宽动态值为10dB ,如宽动态为48 dB ，与普通摄像机之间的差为38 dB，V2/V1=80，说明与普通摄像机宽动态差为80 倍，松下第三代宽动态摄像机是54 dB，V2/V1=160 倍。池上 ISD-A10摄像机典型动态范围95 dB，V2/V1=17782 倍，最大宽动态范围120dB，V2/V1=316227 倍。从“倍数”上看，采用 Pixim DPS技术的摄像机，宽动态范围要比CCD宽动态范围有极大的提高。对于 DPS技术，每个像素对应的

13、光线都可以优化曝光，每一帧数据读取时间只需0.8 毫秒 (传统 CCD技术则需数十毫秒 )，这样系统可以对每个像素进行多次单独采样；而成像系统控制着每个像素的最佳采样时间，在每个像素达到最佳状态时存储像素信息。在所有像素被采集后，系统再对其进行处理，最终形成高质量的图像。即使在最苛刻的光照条件下，也可捕捉到清晰、逼真的图像，再也不会因为阴影、眩光、反射和太阳光而使图像发暗或被破坏。采用传统 CCD图像传感器的摄像机在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次，必然会出现对整个图像中明亮的区域过度曝光，或较暗的区域欠曝光的现象。CCD宽动态技术是采用特殊DSP （数字信号处理）电路，对明亮部分进行

14、最合适的快门速度曝光，然后再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，然后将两个图像进行 DSP处理重新组合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。由于CCD的感光特性所限制，在技术上很难在有重大突破，有的CMOS技术已经达到160dB,可以说未来的监控摄像机属于宽动态摄像机，宽动态技术属于CMOS。二楼解释 100%全面，我还有话要说：宽动态技术能使摄像机在暗处获得明亮图像的同时使明亮处不受饱和度的影响。在宽动态技术的支持下，使摄像机可在任何地方获取对应用BLC技术更为鲜艳的彩色图像。它能使监视区域中对高光照区域使用高速快门曝光，而对低光照区域使用低速快门曝光，生成的二幅图像组合从而合成图像，所以能获

15、得图像暗处的细节，而图像的明亮处又不过于饱和。IRE为 Institute of Radio Engineers 的缩写，指的是美国电视学会关于电视信号电平的标准，通常 CCD摄影机的视频输出最大振幅一般设置在100IRE或者 700 毫伏，一个 100IRE的视频表示可以完全驱动一个监视器表现最好亮度和对比度的优质影像，只有50IRE的视频表示只有一半的对比度，30IRE或者 210 毫伏表示只有原始振幅的30%，通常 30IRE是最低的表现可用影像的数值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -