主页（http://www.pttcn.net）：监控摄像机动态范围的几种测试方法(2) 动态范围 = Usat /UNp-p (1) (1)式中，Usat为输出饱和电压;UNP-P为噪声的峰-峰值。 显然，动态范围也可这样来定义和计算，即由CCD势阱中可存贮的最大电荷量和噪声所决定的电荷量之比;其数值也是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比(通常用dB表示)，即 动态范围 = USp-p /UNp-p (2)式(2)USp-p为输出信号峰值电压。 因此，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，宽动态范围就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。 显然，确定摄像机成像器的动态范围的方法主要有两种：一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息由上述公式计算得出;另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像，并测量影像级别的方法得出。尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值，但通常人们还是倾向于使用测量的方法，因为它能反映用户对摄像机成像效果的实际体验。下面就具体介绍国外三大厂家对摄像机动态范围的实际测试方法。 JVC的动态范围测试方法 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JVC的一种基本测试方法如下： 测试摄像机动态范围所需的设备及条件 测试摄像机动态范围所需要的设备如下5点： · 透射灰度卡与反射灰度卡; · 亮度可调的背光灯箱与亮度可调的照射光源; · 视频监视器与波形监视器; · 测光表或照度计; · 标准内镜头等。 测试摄像机动态范围的条件：需要在暗室内进行。 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2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2500Lx;另外1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2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2500Lx。显然，在这种照度下是曝光过度的(出厂的标准照度多为2000Lx)，此时反射灰度卡的白色端条纹可能会出现层次混合，即有2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2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。 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) (3)用上述测试方法测得JVC的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC的顶电平变化自2200Lx开始至1.1Lx结束，由式(2)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1500Lx开始至5Lx结束的动态范围为 动态范围=20log1500/5=49dB JEITA的动态范围测试方法 JEITA是日本电子资讯技术产业协会的简称，其对摄像机动态范围的测量方法也是采用灰阶测试卡。实际上，是否能够准确确定动态范围，一个重要的限制因素是灰阶测试卡是否能够有效测出动态范围的全部取值。比如 Kodak Q-14 测试卡，相邻灰阶格的刻度差是1/3光圈级数 (f-stop)，最多只能测量出5.66档或大约34分贝的动态范围。 使用 JEITA 方法测量动态范围和动态范围扩展比率时，灰阶测试卡的 gamma值指定为2.2，总共有十个灰阶级别，能够测出的动态范围与Q-14灰阶测试卡基本相同。按照这种方法的规格说明书所述，将两张灰阶测试卡并排放置，二者中间以屏幕相隔。再用两台不同的照明光源分别照射屏幕两侧的测试卡，如图2所示。 图2 JEITA 动态范围扩展比率测量装置 JEITA 方法中规定，对测试卡较亮的一端不断增加照明强度或增大光圈，直到刚好可以区分出最亮的两个灰阶级别，然后对测试卡较暗的一端不断减小照明强度直到最亮的灰阶级别(白色)达到 50 IRE。用前述测试法中的公式(3)即可计算动态范围的扩展比率(dB)，即 动态范围扩展比率(dB)=20log(L3/L4) 这种方法虽然算出了动态范围扩展值，但它完全忽略了成像器捕捉中间色调的能力。JEITA 方法并没有克服两次曝光CCD传感器的主要缺陷，因为该方法只关注于对较高和较低色调范围以内的不同灰阶值的区分。 JEITA 方法的缺陷是：所有的测试装置都没有明确指定;没有指明怎样放置照明设备，使用何种类型的光线，甚至没有说明如何准确衡量照明强度。这就意味着，实验装置和测量条件的变化都会影响最终的测量结果。值得注意的是，JEITA方法测量的是动态范围扩展值，而不是总体的测量范围，因为该方法并未指明如何确定基准动态范围或总体动态范围。 Pixim的动态范围测量方法 为了消除上面的缺陷，让测量实验具有可重复性，使得在测量过程中可以对所有色调级别同时进行观察和比较，Pixim使用一套定制的仪器装置来测量动态范围。该套装置包含一个灯箱，它使用700瓦的白炽灯光对透光步进卡进行背光投射。测量使用的步进式光楔均由Sine Patterns LLC公司生产，两个光楔重叠在一起最高可测量ND值为0.1到6.1或大约120分贝的密度范围。
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