4种CCD宽动态摄像机的性能比较

　　引言

　　传统CCD摄像机在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次，因此必然会出现对整个图像中明亮的区域曝光过度、或较暗的区域欠曝光的现象。而在安防监控摄像机的应用过程中，又经常会出现明暗反差较大或逆光的场景。出于安全考虑，CCD摄像机被安装在需要监控的室内外，由于在同一位置往往会面临多种照明条件，很多地方照明条件分为日光和人工照明的混合光，并在不同时段下出现明暗反差非常大、背光等情况，如在银行储蓄所、重要场所出入口等。因为从窗外射入的强光和从天花板上的荧光灯照射的柔和光线都可能对当时室内外景象的捕获造成困难，不能同时将反差很大的室内外场景清晰地拍摄下来。所拍摄图像会出现背景过亮前景过暗，或背景清晰前景过暗及前景适合背景过亮的情况。最早的解决方法，一般会采用背光补偿技术或在室内外放置两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不是非常理想，从而诞生了宽动态技术。

　　在安防监控领域，所谓摄像机宽动态，即WDR（Wide Dynamic Range），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。宽动态技术从1977年松下首推第一代宽动态摄像机至今，在安防监控领域一次又一次的技术改革，带动了安防产业的飞速发展。

　　1999～2002年，松下推出了第二代宽动态摄像机，其动态范围可以比普通摄像机高出80倍。它通过增强的数字处理技术提取两幅画面中图像质量较好的部分加以合成，来得到清晰的画面。这时图像的噪点小，可以编程设置；但对DSP性能要求高，色彩还原差，对移动目标效果还不是很理想。

　　2003～2008年，以松下为代表的厂商率先推出了第三代超级动态摄像机。该类摄像机采用了基于每个像素的160倍动态范围技术，双速CCD输出信号的动态范围增大，DSP中采用“不分区域的（基于每个像素的）自然对比度图像校正”技术，能根据各像素输入信号电平，实现图像的灰度优化。此外，三星电子等厂商相继推出了80倍的宽动态摄像机和160倍的宽动态摄像机。160倍动态范围技术具有超大宽动态、色彩还原好等优点，但其对DSP性能（特别是处理速度）要求很高。

　　这种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，之后将两个图像进行DSP处理重新组合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚，这需要较高的技术使色彩和清晰度损失最小。由于扫描速度要提高一倍，所以需要双速CCD和相应的DSP芯片进行支持，这也是宽动态CCD摄像机价格比较高的原因。

　　下面就介绍CCD摄像机扩展动态范围的基本原理，4种扩展动态范围的方法、性能比较，以及动态范围的具体测试方法。

　　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。

　　4种扩展CCD摄像机动态范围的性能比较

　　4种扩展CCD摄像机动态范围的性能比较如下表所示。 

4种扩展CCD摄像机动态范围的性能比较表

　　对数压缩放大方式会改变图像的色彩及信噪比，对图像有一定的劣化作用，因而需对其后续图像信号处理电路进行复杂的设计。由于该技术复杂及成本过高，主要用于广播电视用途的摄像机上，未用于安防监控摄像机。

　　输出信号伽马值修正方式由于仅改变了输出信号层次，而没有真正增加原始信号的层次，因而仅提高了视觉的观感，实际上摄像机并未感受到真实的层次变化。再加之其成本也过高，所以也主要用于广播电视用途的摄像机上，而在安防监控摄像机领域仅对其简化，作为一种辅助手段，在摄像机内另立菜单调整。

　　在安防监控摄像机的动态范围扩展技术上，实际上以两次及多次曝光方式效果最为理想而用得最多。其中，两次曝光方式已被很多摄像机厂商所掌握，并开始普及。但由于曝光速度仅有两次选择，其图像的过渡层次少于多次曝光方式。

　　多次曝光方式由于可对监控场景进行多次曝光取样，使获得的实际原始层次最为丰富，因而可保存最多的原始信息，所以至今仍是CCD摄像机行业内最好的动态范围扩展方法。该技术仅为日本JVC等5家公司所掌握。

　　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。

　　3、测试结果计算

　　用上述实际测试方法计算动态范围的公式如下：

　　动态范围=20logL1/L2(dB)???(2)

　　用上述测试方法测得日本JVC公司的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC的顶电平变化自2200Lux开始至1.1Lux结束，由上式可得：

　　动态范围=20log2200/1.1=66dB

　　用上述测试方法测得某公司的CCD宽动态摄像机的顶电平变化自1500Lux开始至5Lux结束的动态范围为：

　　动态范围=20log1500/5=49dB

　　结束语

　　由上可知，在安防监控领域，CCD宽动态技术是采用特殊DSP电路，对明亮部分进行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，之后将两个图像进行DSP处理重新组合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。但无论怎样，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。常用的两次取样方式，CCD的动态范围最大只能到54dB。显然，以多次取样方式为最好，如日本JVC公司的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC的动态范围就可达到66dB。