视频监控摄像机动态范围的几种测试方法

　摘要：在应用安防监控摄像机时，经常会出现明暗反差较大或逆光的场景，使得图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域欠曝光，而不能看清图像最亮与最暗部分。因此，各摄像机厂家竞相开发了宽动态摄像机。但如何检测其宽动态性能，是工程商等应用人员急需了解的。本文介绍摄像机动态范围的基本概念，重点介绍国外三大厂商各自对监控摄像机动态范围的具体测试方法，以供工程商等应用人员测试选用参考...

　　引言

　　由于自然光线的排列是从120000Lux到星光夜里的0.00035Lux，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是10000Lux，因此当摄像机从室内看窗户外面，两者对比就是10000/100=100∶1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000∶1的对比度，但传统的安防监控摄像机则不行，因为它只有3∶1的对比性能。因此，在出现明暗反差较大或逆光的场景应用安防监控摄像机时，会使整个图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域曝光不足，而看不清图像最亮与最暗部分。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。其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架设两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不理想。扩展动态范围的技术随之应运而生，即现今所说的宽动态WDR(Wide Dynamic Range)技术。

　　松下从1977年首推第一代宽动态CCD摄像机起;到1999年又推出了第二代;2003~2008年再次推出第三代超级动态CCD摄像机。在此期间，索尼、JVC、三星等也相继推出了自已的宽动态CCD摄像机。至今，在安防监控领域一次又一次的技术改革中，带动了安防产业的飞速发展。

　　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，其后再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，然后将两个图像进行DSP处理重新组合，使明亮的部分和黑暗的部分皆可看清。这种160倍动态范围技术虽具有大的宽动态，实现图像灰度的优化等优点，但其对DSP性能(特别是处理速度)要求很高。目前，由于CCD的特性限制，即便采用多次曝光取样方式，摄像机的宽动态范围也只能到66dB。

　　显然，由于CCD的感光特性限制，在技术上很难再有重大突破，而CMOS摄像机由于其图像传感器本身的优异性能，或有突出的表现。如一般的线性输出模式的动态范围就可达40~60dB;加拿大Dalsa公司采用线性-对数输出模式的IM28-SA型CMOS摄像机，其动态范围就可高达120dB;Apical有限公司结合Altera的 Cyclone III和Cyclone IV FPGA，利用Aptina MT9M033 720p WDR CMOS图像传感器也推出了明亮部分和暗的部分都看得清楚的CMOS宽动态摄像机;美国PIXIM公司开发了CMOS-DPS技术，其芯片组从D1000、D1500、D2000到D2500在性能上有了飞速提高：其图像清晰度从480线提升到540线以上;最低照度从1.0Lux/F1.2到0.5Lux/F1.2;典型宽动态范围从95dB 到120dB。据消息透露，有的CMOS的宽动态技术甚至已能达到160dB。因此可预见，未来的监控摄像机属于宽动态摄像机，而宽动态技术则属于CMOS。

　　目前，在全球市场上，有50多个国家约100种类型的宽动态摄像机投入实际应用，然而其中多数摄像机制造商皆采用了Pixim的DPS技术。这是因为DPS芯片的核心技术是在每一个像素里有ADC。也就是在准确的捕捉点上，光信号被转化成数字信号。这样做的好处是使像素间没有串扰和没有信号损失。这也意味着噪波大大降低并形成了一个超级动态范围，这样就避免了垂直光斑的产生。如日本池上广播级摄像机低垂直光斑达到-135dB，是所有广播级摄像机这项指标最好的。图1就是日本池上基于低垂直光斑和Pixim DPS技术的CMOS宽动态摄像机ISD-A10和普通CCD摄像机拍摄车灯时低垂直光斑效果图。

图1 CMOS宽动态摄像机ISD-A10和普通CCD摄像机拍摄车灯之时低垂直光斑效果比较