浅谈宽动态技术摄像机及其发展

主页（http://www.pttcn.net）：浅谈宽动态技术摄像机及其发展

【中国集群通信网】随着安防行业的不断发展，摄像机的各项技术得到不同程度的突破，从而得到了多种更新换代的产品。从最初开始的黑白摄像机到现在广泛所使用的彩色摄像机，从最初的单一种类摄像机发展到现在多品种、多功能摄像机，从最初的低线摄像机到现在的超高清晰度摄像机。摄像机技术不断发展，反映了用户对摄像机图像效果要求的不断提高。

　　在明暗反差过大的场景中，如大厅、门口等光线差别比较大的场所，传统摄像机只能依靠背光补偿(BLC)功能来处理。当背光补偿功能打开的时候，背景图像会出现曝光过度，图像发白、失真;当背光补偿功能关闭的时候，前景图像因为曝光不足而成为黑色。许多摄像机生产厂家为了解决这些问题，相应地对背光补偿(BLC)采用了一些增强技术，但也仅是对局部图像进行处理，无法得到理想的全局图像。因此必须有一种具有新技术的摄像机，来满足逆光环境下对摄像机的要求。因此宽动态技术摄像机应运而生，逐渐成为各大摄像机生产厂商的目标和关注的焦点。

　　宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。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成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。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局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。

　　广义上的“动态范围”是指某一变化的事物可能改变的跨度，即其变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域，此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值。这是一个应用非常广泛的概念，在谈及摄像机产品的拍摄图像指标时，一般的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度(反差)及色温(反差)的变化范围。

　　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。这个对比使人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度。然而以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。

　　目前宽动态技术摄像机方案基本上主要有三种：松下SDIII , 索尼SS-3方案及DPS方案。松下在1997年推出了基于其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技术的景阳宽动态摄像机的典型动态范围可到达101dB，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。