寬動態攝像技術原理及評價

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[摘要] 寬動態攝像機成為安防技術的熱點已經很長時間了,廠家也都有把它作為主要的賣點,但是對於寬動態攝像機在技術上深入的分析卻很少。通常認為:實現寬動態的技術越複雜、技術指標(數值)越高,攝像機的影象效果就越好,攝像機的應用範圍就越廣。其實不然、攝像器件適應景物照度的能力是有限度的,因此可實現的動態範圍是有限值的;同時,人眼視覺特性可以適應(接受)的動態範圍也是有限度的。

  寬動態攝像機成為安防技術的熱點已經很長時間了,廠家也都有把它作為主要的賣點,但是對於寬動態攝像機在技術上深入的分析卻很少。通常認為:實現寬動態的技術越複雜、技術指標(數值)越高,攝像機的影象效果就越好,攝像機的應用範圍就越廣。其實不然、攝像器件適應景物照度的能力是有限度的,因此可實現的動態範圍是有限值的;同時,人眼視覺特性可以適應(接受)的動態範圍也是有限度的。而且,目前寬動態攝像機還沒有一個統一的測試方法(標準),各廠家給出的技術指標差別很大、含義不同,沒有可比性。筆者曾寫過《寬動態技術研修與商榷》一文,文中說明了各種寬動態技術的原理,本文在此基礎上對各種上寬動態技術進行比較,並重點說明寬動態技術的測試,以期引起更深入的探討。

  寬動態的概念

  攝像機的動態範圍有兩方面的含義:

  一是指攝像設機適應景物照度變化的能力。通常是時間域的概念,比如攝像機可全天(從早到晚)在自然光照下攝取良好的影象。用可以適應的最高照度和最低照度的範圍(比值)來表示;另一是指攝像機對一個場景(一幅影象)可以適應其照度差別的能力,這顯然是空間域的概念。就是說:對一幅影象而言,保證影象具有適中的反差(灰度變化),可以適應其中最明亮部分和最暗淡部分的照度的變化範圍。它的作用是使攝像機可在逆光情況下,或景物中具有過亮、過暗部分時,可以攝取良好的影象,影象各部分的細節都能得到較好的表現。

  在視訊監控領域,寬動態就是指:攝像機在空間域中適應照度反差(變化範圍)的能力。而“寬”是強調,寬動態攝像機的動態範圍很大地超過普通攝像機。

  解決上述兩個方面的問題可以採用不同的方法,自然也是分為兩類,一是時間域的處理,一是空間域的處理。它們的適用範圍不同,效果也不同。

  傳統的時域處理

  通過圖1可以說明傳統的時域處理技術。首先解釋圖中各種曲線和標記,圖中的理論曲線(粗虛斜線)是假設攝像器件可以適應無限範圍的照度時,攝像器件的輸出曲線,景物照度與影象訊號輸出呈線性。但攝像器件只能適應有限範圍的照度,特別是當照度高到一定值後,器件會出現飽和現象。既攝像器件有最大輸出的限值(圖中水平細虛線),表示攝像器件的輸出不能超過這個限值。這是寬動態限值的根本原因。

  根據攝像器件的技術能力,並結合人眼的視覺特性,電視標準把攝像機視訊輸出的影象訊號0.7V時,攝像器件的輸出定為最大輸出。實際曲線是的攝像器件輸出經各種技術處理之後的綜合結果(是攝像機視訊輸出的等效表示)。主要技術有:

  1、Y校正、AGC(自動增益控制),都是傳統時域處理的電路技術。前者工作在低照度段,為了補償電視機映象管電/光轉換特性的非線性失真,因此、具有提高攝像機靈敏度,提升低照度段的影象亮度,改善影象質量的作用。一般有3dB的調節範圍;後者、通過電路增益的自動調節,使得在一定照度變化範圍內,攝像機影象訊號保持穩定的輸出。AGC通常工作在中等照度段,具有15-18dB的調節能力。

  2、光圈調節,通過改變攝像機鏡頭的光欄孔徑來調節進光量,從而調節攝像器件的影象訊號輸出。檢測攝像機輸出訊號的幅度,用以產生鏡頭光圈電機的驅動電壓來調節鏡頭的孔徑,就是自動光圈鏡頭。它是對影象整體(亮度)的調節,範圍由鏡頭的最大光圈與最小光圈之比來度量(數值是兩者比值的平方),最高可達10萬倍。

  採用這樣的鏡頭,攝像機可以適應全天室外自然環境的應用。自動光圈的調整方式有平均值和峰值兩種,實質上是控制電路基準(參考)值設定方式的不同。前者是以整個影象的平均亮度為基準,後者則是以影象中的最高亮度為基準。大多數情況應設在平均值方式;如影象中有過分明亮的部分,又是觀察者注意的內容,設在峰值方式為宜,但它壓低了影象較暗部分的亮度,會使其細節不能表現出來(見圖2)。

  3、電子快門,利用CCD器件的溢位功能,改變器件的曝光時間來調節攝像機的輸出。它不是調節進光量,而是調節曝光時間,因此,稱為電子快門。攝像機的電子快門可以人工設定,也可能自動調節,工作原理與自動光圈相同。調節範圍就是標準曝光時間與可以設定的最小曝光時間的比值,一般為幾百倍。攝像機標準曝光時間是由電視制式和CCD積累方式決定的,通常為1/50s(20ms),目前攝像機最小快門可達1/20000s。

  空間域處理

  顯然,時域處理技術可以有效的解決動態範圍第一個方面的問題,但對第二個方面問題作用不大,圖2可以清楚說明這一點。

  曲線1是自動光圈或電子快門產生的效果,可以看出:它線性地改變了整個影象的特性曲線,而擴大了適應照度變化的範圍,但對一幅影象照度反差的調節卻很小,而且,在抑制高照度部分時也壓低了低照度部分。

  要想實現寬動態,曲線2最佳的,既要抑制高照度部分,又要增強低照度部分。這是上述技術不能完成的,必須採用新的空間域處理的寬動態技術。

  寬動態技術

  安全需求的特殊性在於:要求攝像機能在惡劣環境下獲得有效的影象,它包括在低照度下攝取影象,也就是高靈敏度;更重要的是能同時表現出一幅影象中高度照度部分和低照度部分的細節。解決這個問題採用時間域處理是不行的,必須對影象進行空間域的變換;同時,應在攝像器件的光電轉換過程中進行,不能在影象訊號處理過程中進行,既寬動態技術必須以攝像器件為基礎(根據其技術特點)來實現。目前應用較多的寬動態技術主要有:

  背光補償

  背光補償是最早應用的寬動態技術,它是將一幅影象進行分割槽域(依其照度來劃分)的處理,通過設定不同的亮度控制閾值,來突出影象各區域的細節。目前攝像機還普遍採用這種技術。

  它對錶現影象中亮背景下低亮度部分的細節很有效,故稱為背光補償。反之則不佳、因為在影象訊號處理時,影象高亮度部分的細節已經丟失了。

  雙曝光技術

  通過CCD曝光控制與影象訊號處理相結合,可以同時得到影象高照度部分和低照度部分細節的一種方法,採用通常的CCD晶片就可以實現。如針對低照度部分,採用10ms固定曝光,針對高照度部分,採用高速快門曝光(曝光時間隨照度調節,如圖3上所示),兩次曝光形成的影象訊號經過運算生成最終的輸出訊號。這種方式可以得到不錯的效果,但也有不足,它降低了低照度部分的曝光量(比正常影象低了一倍),使得暗部的影象質量下降。還有,在一場期間進行兩次曝光,要求CCD進行兩次電荷轉換(轉移速度加倍),也是不利於攝像機電路的設計。但它不增加總的曝光時間,影象訊號運算所產生的延遲不會對運動影象產生影響。

  雙曝光方式還可在兩幀影象進行(如圖3下所示),一幀採用標準快門(20ms),生成一幀影象訊號存貯在存貯器裡,下一幀採用高速快門曝光,生成另一幀影象也存在存貯器中,它的作用是獲得高亮度部分的細節(在上場影象已丟失)。兩者經DSP運算形成最終的輸出影象。由於它加倍了總的曝光時間,會影響高速運動影象的清晰度,但它對影象低亮度部分有增強作用(未完,後續請見下期)。

  下期將給大家帶來寬動態多重取樣技術等內容的分析及介紹,敬請期待。