主页（http://www.pttcn.net）：4种CCD宽动态摄像机的性能比较 【中国集群通信网】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;
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