宽动态技术让视频监控摄像机如虎添翼

宽动态摄像机的技术、功能介绍

    在技术发展和用户的需求的催生下，宽动态摄像机孕育而生，经历了三代技术的升级，宽动态技术给社会带来的好处不言而喻，正所谓金无足赤，人无完人，所以我们应该正确认识这一技术的发展，接下来跟大家一起分享一下宽动态摄像机的现状。

    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。

    宽动态是一项很实用的技术，拉近了摄像机与人眼的距离（让摄像机对画面的处理和显示更加贴近人眼的识别程度），让用户有了一种更人性化的体验。因为经过几万年的进化，人眼的宽动态性能超强，对于实际场景中和各种光线下的区域，如较暗的区域和较亮的区域都能同时看清。而对于传统的摄像机、镜头来说确是一个很大的挑战。在一幅画面中，如果有较亮的区域和较暗的区域同时存在，比如银行的大厅，有很大的窗户，在窗外的光线很强的情况下，就会造成明暗对比差异很大的场景，这对于普通的摄像机来说，要看清亮的部分，则暗的区域就是全黑的，而要看清暗的区域，则亮的区域就过爆，也是一片白，什么都看不见。海康威视产品总监应群表示，运用了宽动态摄像机后，就能达到很好的效果，即能同时兼顾到明亮和昏暗的区域，都可以看清；这样的功能对于银行、出入口等很多实际场景的监控都有非常直接的帮助，能达到监控的实际要求。

    目前海康威视已经推出了基于SONY最新超宽动态CCDSensor的系列摄像机，能达到160X的宽动态效果，在亮暗对比强烈的场景下都能达到很好的监看效果，满足了实际使用环境的要求。

CCD、CMOS摄像机拓展宽动态范围的方法

    目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有输出信号伽马修正方法、对数压缩放大方法、单帧图像两次取样方法、单帧图像多次取样方法四种。在安防监控领域中，一般多采用单帧图像两次或五次取样方法，尤其多用两次曝光取样的方法。下面介绍一下这种曝光取样方法的原理。

    所谓“单帧图像两次取样方法”或说“两次合成电子快门”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的两次取样曝光机图像分割合成技术。其工作过程如下：

    首先利用成像器件CCD对较暗的景物取得争取的曝光（如用1/50s快门），将得到第一帧图像存储到数据缓冲存储器中。

    其次，利用高速数字信号处理器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），就要对其进行亮度评估。

    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2次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中，如此即同时取得两张明暗两区均为正确的影像。

    最后，再利用高速DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理方法，将两影像在DPS中高速运算相加，即可两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，然后在一帧新的图像中合成起来，就可以标准制式实时输出亮暗动态范围很宽的图像，例如：室内人物照度为10Lux，而室外景物为1000Lux，此时CCD摄像机可采用1/60秒的速度对室内景物取得正确曝光，再用1/6000秒对室外的景物取得正确的曝光，然后将两张图像结合即成为比较完美的图像。

    但是，一般CCD摄像机并不具有这种双曝光的功能，这是因为一般的通用电路芯片不能实现这样高速运算，而高速DSP，就具有200K个高速运算门电路的运算速度，同事解决了双曝光的两图像的分别记忆储存，紧接着即可合成计算的功能，合成处理后再按标准制式实时输出视频图像信号。

    显然，如果再根据图像的最暗区域至最亮区域的中间过度范围的整体评估，再对图像进行三次中间层次的曝光，这样就得到三帧针对过度范围内亮度不同的曝光图像。然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，就会完成并最终输出比仅有2次曝光取样更加满意的图像。

    尽管款动态CCD摄像机与传统CCD摄像机相比，在技术上有了一次突破，现在已发展到第三代CCD宽动态摄像机，宽动态范围也达到了160倍，或说54db。而采用五次采样方式，CCD宽动态摄像机的动态范围最多也只能达到66db。而现在已推出的CMOS宽动态摄像机，其宽动态范围已能达到120db。

    CMOS宽动态摄像机扩展动态范围的方法有：双斜率输出模式、对数输出模式、伽马校正输出模式、线性-对数输出模式与CMOS-DSP数字像素式等。下面就简要的介绍一下CMOS-DSP数字像素式的CMOS摄像机扩展范围的原理。

    CMOS-DSP是继CMOS-PPS与CMOS-APS之后的第三代CMOS宽动态摄像机。

    所谓DSP，即数字像素系统，CMOS-DPS摄像机就是数字像素系统的摄像机。传统的CCD和CMOS摄像机传感器都是为每一列或每一行像素点配备一个模拟转换器（A/D），每个像素点的输出都是模拟光信号，存在着噪声大和输出时间长等缺点。而DSP是在图像传感器的每一个像素点上包含了一个10位A/D转换器，即在CMOS摄像机图像传感器上的有源像素捕捉到光信号时，直接将其放大并转换为数字信号，从而可将阵列上的信号退化和串扰降到最小，并允许采用更好的降噪办法，一旦数据以数字格式捕获，就可以采用各种数字信号处理技术来真正重现图像。显然，DSP技术中的图像传感器和图像处理器是全数字式的，并采用32位ARMCPU精确控制每个像素，使每个像素独立完成采样和曝光，并直接转换成数字信号，是目前市面上唯一的，真正的全数字图像处理系统。

宽动态摄像机能否智勇双全

    对于摄像机，如果把其灵敏度看作“勇”，宽动态能力看作“智”的话，宽动态摄像机能做到智勇双全吗？

    宽动态技术的出现弥补了普通摄像机在光线明暗交差成像的缺点，但是同时也出现了相应的不足，毕竟宽动态技术是针对专一环境的专用功能。往往是动态范围大的摄像机，其灵敏度低，高灵敏度的摄像机动态范围相对小，也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下的实用状况并不是那么理想，噪点过大。在夜间低照度的情况下，图像会出现类似雪花点的现象，有时也会出现其它现象，如：刚装上去调试好是正常的，过段时间之后画面会出现偏色。据了解，这个现象与环境的影响或摄像机本身设置有关，一般宽动态摄像机出现偏色都与白平衡有关，如果原本在调试的时候设置为自动跟踪白平衡图像就会随着环境的变化而产生不同的白平衡效果，将白平衡模式调整为自动白平衡即可解决。另外，在安装的过程中安装的位置对图像亦有偏差的影响，应尽量避免安装在强光反射点的位置。

    众所周知，宽动态打开时，其它方面的指数就会有所降低，比如清晰度、灵敏度、色彩等等，画面有可能会变得稍微模糊，色彩饱和度下降，画面显得较淡；在低照度环境中灵敏度下降等，此外还面临与WD的平衡、同步提升的问题。另外现在很多宽动态功能范围相差很大，低的有52db、54db，高的有75db、123db，没有一个统一的定义和标准来规范动态范围的测量。现在在行业内也有机构正在积极推进此事，相信随着规范的测试标准出台之后，会对行业门内宽动态的指标参数有更好的规范作用，避免混淆视听。

    宽动态为视频智能分析奠定了强大的基础

    一种具有宽动态范围(WDR)特性的新式安保摄像机可以提高视频图像的精度，使传输给视频分析的数据更稳定，质量更高。

    WDR指摄像机能够以最高的明暗比捕捉图像。换句话说，即使在高反差照明、强逆光、眩光、反光和其它无法控制或变化不定的照明条件下，WDR摄像机都可以同时捕捉一个场景中最亮和最暗区域的细节和准确色彩。

    WDR的衡量单位是分贝(dB)。一般而言，有效的视频分析要求摄像机提供100分贝或更高的动态范围，从而使同一场景中不同照明区域能生成噪声极低(高信噪比)、色彩准确、图像质量优秀、细节突出的高质量数据。

    视频分析算法必须不断根据摄像机“看到”的东西进行评估或做出最佳猜测，以区分前景和背景、静止和移动物体，以及视频伪影或其它传感器错误和目标敏感事件。

    WDR摄像机能传输稳定的高质量数据，优化视频应用程序的算法，从而实现精确评估和识别。其生成的高质量图像在整个场景(亮区和阴影)中正确曝光，色彩逼真度高，特征表现锐利，细节突出，图像伪影较少存在或不存在，视频噪声低。

    除了图像质量和色彩还原以外，全数字WDR摄像机还能为现场实时网络视频分析(即在摄像机中内置分析功能)提供最佳数据。有了全数字WDR摄像机，无须再将数据从模拟转换为数字;而且因为视频分析是在现场完成，只有重要事件才会通过网络传输，从而减少了流量和时间，并降低误报率和数据存储空间。即使数据是先传输到中央服务器再作分析，WDR摄像机也能为分析提供最高质量的数字数据，以及降低存储空间需求。

宽动态摄像机的重点应用

    在一些特定场合的特殊环境中，尤其在强光源(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显现为白色，而晦暗区域因曝光不足成为黑色，比如银行出入口的安全玻璃自动门等强逆光场所。

    在白天室内和室外光线反差大的情况下，普通摄像机拾取的图像明亮部分和暗的部分不能像人类眼睛那样同时看清，会产生图像大部分信息遗漏、画质劣化等现象，宽动态功能就是针对金融道路交通监控等行业的应用而专门设计的。高品质宽动态摄像机不仅可以帮助警方破获犯罪案件，同时可以为发生的纠纷提供佐证。

    银行营业网点一般都位于临街路边，大厅光线充足，用户接待柜台面向窗户，顾客则背向窗户。监控摄像机需要监看和记录的目标是营业员的工作过程、用户的面部细节、大厅里人员活动的细节、以及顾客从营业厅外进入营业厅及从营业厅里离开到营业外等全程。在这样的环境中，光线明暗变化明显，室内外光线反差巨大，监控摄像机处于逆光拍摄，如采用普通摄像机是不能拍摄出明暗反差大的局部细节，监控不到满意的图像。这种监控环境下，需要的不是摄像机具有多低的照度指标，而是需要摄像机具有很好的宽动态性能、色彩还原性能和高清晰度。对于ATM机，很多安放在室外，它是24小时运行的，用于ATM的摄像机不仅需要更好的宽动态指标还要有足够的低照度指标。所以，应用于金融行业的监控摄像机，应该选用宽动态摄像机。

    目前宽动态摄像机用于道路交通监控的重点是高速公路收费监控系统,主要是对收费站车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件进行观察和记录。尤其在夜间，宽动态功能就可以避免如汽车的尾灯和头灯引起的光线拖尾现象，收费站工作人员能看到车牌照，这是普通摄像机难以实现的。

    在电子警察系统中，通过监控系统和闯红灯自动摄录等手段，提高指挥中心的直观性、实时调动能力和对交通事故、意外事件的响应能力，以及增强查处违章的客观性，并对控制区域进行全面协调控制，提高车辆的通行能力。由于需要看清车牌，24小时监控，所以有对低照度，宽动态摄像机的需求。

    存在的问题

    PiximDPS技术的应用无疑将给宽动态摄像机市场带来活力，但真正能将该技术发挥得淋漓尽致，还要看制造商的技术实力。目前全球领先的高质量CCTV设备解决方案供应商，如Pelco、Stanley、JVC、GE和Honeywell已经成为Pixim的客户，也就是采用基于Pixim的DPS技术开发出了国际一流的超级宽动态摄像机。

    需要提出的是，虽然宽动态摄像机的出现弥补了普通摄像机在背光补偿中的缺点，但也存在不足。动态范围和灵敏度是两个矛盾因素，通常动态范围大的摄像机其灵敏度较低，而高灵敏度的摄像机动态范围相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下，使用状况并不是太好。这也是目前各生产宽动态摄像机厂家迫切要解决的技术问题。同时，物体截面光的折射也会使宽动态摄像机的动态效果不是十分满意。

    随着宽动态技术的发展和应用环境的特别需求，摄像机制造商将为市场带来更多更好的宽动态摄像机。