4种CCD宽动态摄像机的性能比较(2)

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　　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。