寬動態(tài)技術(shù)原理

寬動態(tài)技術(shù)原理寬動態(tài)技術(shù)原理寬動態(tài)技術(shù)原理xxx公司寬動態(tài)技術(shù)原理文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計，管理制度什么是寬動態(tài)攝像機寬動態(tài)攝像機是什么意思潮寬動態(tài)是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色。寬動態(tài)攝像機比傳統(tǒng)只具有3:1動態(tài)范圍的攝像機超出了幾十倍。自然光線排列成從120,000Lux到星光夜里的。當(dāng)攝像機從室內(nèi)看窗戶外面，室內(nèi)照度為100Lux，而外面風(fēng)景的照度可能是10,000Lux，對比就是10,000/100=100:1。這個對比人眼能很容易地看到，因為人眼能處理1000:1的對比度，然而傳統(tǒng)的閉路監(jiān)控攝像機處理它會有很大的問題，傳統(tǒng)攝像機只有3:1的對比性能，它只能選擇使用1/60秒的電子快門來取得室內(nèi)目標(biāo)的正確曝光，但是室外的影像會被清除掉（全白）；或者換種方法攝像機選擇1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室內(nèi)的影像會被清除（全黑）。這是一個自從攝像機被發(fā)明以來就一直長期存在的缺陷。自從40多年前攝像機的出現(xiàn)至今，從最早的真空管攝像機到現(xiàn)在的以CMOS、CCD、DPS為感光器件的設(shè)想，而寬動態(tài)攝像機也在此基礎(chǔ)上逐漸流行起來，關(guān)于不同技術(shù)的各種爭論與探討此起彼伏。2005年開始，攝像機逐漸出現(xiàn)群雄逐鹿的競爭局面。這種局面將會隨著攝像機技術(shù)的不斷更新以及更多品牌的進入而逐漸白熱化。隨著攝像機更大范圍的普及應(yīng)用，其自身的優(yōu)點與缺陷會同時存在，而對于攝像機監(jiān)看效果要求的不斷提高，特別在一些明暗反差過大的場景中，傳統(tǒng)普通攝像機對單一圖像中最亮和最暗部分的平衡調(diào)整能力非常有限，一般以攝取進來的所有光線的平均值為基準(zhǔn)，并決定曝光等級。如何提高成像系統(tǒng)中的動態(tài)范圍，以便同時看清視場內(nèi)前景與背景物體一直是研究者的目標(biāo)。于是，具有良好寬動態(tài)功能：（Wide-dynamic）的攝像機逐漸成為各大攝像機生產(chǎn)廠商的目標(biāo)和關(guān)注的焦點。動態(tài)范圍的概念動態(tài)范圍最早是信號系統(tǒng)的概念，一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差。而在實際用途中，多用對數(shù)和比值來表示一個信號系統(tǒng)的動態(tài)范圍，比如在音頻工程中，一個放大器的動態(tài)范圍可以表示為：D=log（Power_max/Power_min）×10。數(shù)字像機也可看作一個信號系統(tǒng)，所以動態(tài)范圍可分為兩個部分，即光學(xué)動態(tài)范圍和輸出動態(tài)范圍。光學(xué)動態(tài)范圍當(dāng)在強光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時，攝像機輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度顯現(xiàn)為白色，而晦暗區(qū)域因曝光不足成為黑色?？梢姡瑪z像機在同一場景中對最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在著局限的，這種局限我們通常稱為光線的“動態(tài)范圍”。其廣義是指攝像機對拍攝場景中景物光照反應(yīng)的適應(yīng)能力，主要是亮度差和色溫反差的適應(yīng)范圍。光學(xué)動態(tài)范圍（DR_Optical）=飽和曝光量/噪聲曝光量（暗電流）。數(shù)字相機的光學(xué)動態(tài)范圍主要是由圖像傳感器決定的。其中飽和曝光量指的是圖像傳感器達到最大的飽和容量時的曝光量，即無論再怎樣增加曝光也無法接受更多的電子了。噪聲曝光量相當(dāng)于在全黑環(huán)境時圖像傳感器僅僅有本身暗電流時的曝光量。圖像傳感器的動態(tài)范圍定義公式如下：動態(tài)范圍(db)=20*log(全電荷容量/暗電流容量)圖像傳感器的動態(tài)范圍定義的是傳感器件最大蓄積電荷和最小噪聲電荷的倍數(shù)關(guān)系。而攝像機的（光學(xué)）動態(tài)范圍指的是其傳感器達到這兩種狀態(tài)下對應(yīng)的曝光量的倍數(shù)關(guān)系。輸出動態(tài)圍目前市場上使用的攝像機內(nèi)都含有DSP（數(shù)字信號處理系統(tǒng)）。攝像機的圖像是以數(shù)字的形式再通過D/A轉(zhuǎn)換成模擬后輸出，所以輸出動態(tài)范圍主要由A/D位數(shù)決定。位數(shù)是決定數(shù)字圖像系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)，對于一個數(shù)字圖像系統(tǒng)，信息的存儲最終是以數(shù)字的方式來進行。所以該系統(tǒng)中必定有一個模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/DConverter）。而A/D轉(zhuǎn)換器的一個重要指標(biāo)就是A/D的位數(shù)。對于3位2進制來說，可以表達的最大值是2的3次方即8。8位2進制可以表達的數(shù)值范圍是0-255，16位的范圍是0-65535等。那么什么是A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍呢？對于一個8位的A/D，它可以記錄的最小信號是1，最大信號是255，那么它的動態(tài)范圍就是log(255/1)=。這個值顯然是不大的。但是注意不要把8位的A/D和8位的色深搞混了。在彩色系統(tǒng)里一共有3個通道，這里的8位指的是每個通道的位數(shù)。對于彩色來講就是24位，也就是我們常說的真彩色。實際上對于8位的JPG文件來說，能表達的亮度信息也就是這么多。這就是數(shù)字和模擬系統(tǒng)的不同之處。但實際上為了保留更大的余量和采用更好的輸出方法，基本上各個廠商都采用14bit甚至16bit的A/D轉(zhuǎn)換器。對于數(shù)字系統(tǒng)，位數(shù)和動態(tài)范圍的對應(yīng)關(guān)系，可以說A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍對于圖像成像的色彩至關(guān)重要，A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍越大，對于圖像來說更加能夠反映所攝物體的自然色。多種寬動態(tài)技術(shù)齊放光彩1997年松下推出基于其SD技術(shù)的第一代超動態(tài)技術(shù)攝像機，到今天為止，寬動態(tài)技術(shù)已發(fā)展到第三代。全球各大主要攝像機生產(chǎn)商也都相應(yīng)推出了帶有超寬動態(tài)技術(shù)的攝像機。雖然在實現(xiàn)寬動態(tài)上各家的做法方式多種多樣，但CCD實現(xiàn)寬動態(tài)的道理基本一致。這一類型的攝像機采用了專用的DSP電路，首先對明亮的被攝物體用最適合的快門速度進行曝光，然后，再對暗的被攝物體用最適合的快門速度進行曝光，最后將這兩個圖像用DSP數(shù)字信號處理，將捕捉到的兩幅圖像重新組和在一張可視圖像上。擴大了可能處理的動態(tài)范圍，使得明亮的被攝物體和暗的被攝物體都可以看得很清楚。但經(jīng)過這樣處理后的圖像會失去其原有的色彩效果，這也是當(dāng)前寬動態(tài)攝像機面臨的最大問題。美國Pixim公司在斯坦福大學(xué)20世紀(jì)90年代技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上研發(fā)了一種新型的圖像拾取系統(tǒng)——DPS，此系統(tǒng)可以通過其超強的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖片。寬動態(tài)功能劃時代地提升了一副圖像中亮和暗區(qū)域的影像拍攝效果，可以達到比CCD更真實、更清晰的圖像。在動態(tài)范圍上，DPS采用的單一象素曝光和ARM7控制技術(shù)，相比于CCD的兩次曝光成像有了更高的動態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，采用DPS技術(shù)的攝像機的動態(tài)范圍可到達95dB，最高可至120dB。在擴大動態(tài)范圍的同時，DPS也解決了CCD傳感器在處理動態(tài)范圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，完全能夠滿足不同條件下不同客戶的要求。使用這種技術(shù)的攝像機在數(shù)字圖像傳感器里每一個象素中都使用了一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），在捕捉到光信號時直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最大程度上降低了信號在排列中的衰減和干擾。需要提出的是，雖然寬動態(tài)攝像機的出現(xiàn)彌補了普通攝像機在光線落中的缺點，但也存在不足。動態(tài)范圍和靈敏度是兩個矛盾因素，通常動態(tài)范圍大的攝像機其靈敏度較低，而高靈敏度的攝像機動態(tài)范圍相對較低。也就是說目前寬動態(tài)攝像機在環(huán)境光線足夠時完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下的使用狀況并不是太好。這也是目前各生產(chǎn)寬動態(tài)攝像機廠家迫切要解決的技術(shù)問題。但隨著技術(shù)的不斷提升，這個困擾廠家的問題也將會迎刃而解。什么是寬動態(tài)技術(shù)（WDR:WideDynamicRange）什么叫寬動態(tài)簡單地說寬動態(tài)就是場景中特別亮的部位和特別暗的部位同時都能看得特別清楚。寬動態(tài)范圍是圖像能分辨最亮的亮度信號值與能分辨的最暗的亮光信號值的比值。寬動態(tài)的表現(xiàn)方式以“倍數(shù)”或“dB”來表示，在以100IRE為標(biāo)準(zhǔn)時，換算公式：NdB=20log（V2/V1）。普通攝像機（稱V1）的寬動態(tài)值為10dB,如寬動態(tài)為48dB，與普通攝像機之間的差為38dB，V2/V1=80，說明與普通攝像機寬動態(tài)差為80倍，松下第三代寬動態(tài)攝像機是54dB，V2/V1=160倍。池上ISD-A10攝像機典型動態(tài)范圍95dB，V2/V1=17782倍，最大寬動態(tài)范圍120dB，V2/V1=316227倍。從“倍數(shù)”上看，采用PiximDPS技術(shù)的攝像機，寬動態(tài)范圍要比CCD寬動態(tài)范圍有極大的提高。對于DPS技術(shù)，每個像素對應(yīng)的光線都可以優(yōu)化曝光，每一幀數(shù)據(jù)讀取時間只需毫秒(傳統(tǒng)CCD技術(shù)則需數(shù)十毫秒)，這樣系統(tǒng)可以對每個像素進行多次單獨采樣；而成像系統(tǒng)控制著每個像素的最佳采樣時間，在每個像素達到最佳狀態(tài)時存儲像素信息。在所有像素被采集后，系統(tǒng)再對其進行處理，最終形成高質(zhì)量的圖像。即使在最苛刻的光照條件下，也可捕捉到清晰、逼真的圖像，再也不會因為陰影、眩光、反射和太陽光而使圖像發(fā)暗或被破壞。采用傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的攝像機在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，必然會出現(xiàn)對整個圖像中明亮的區(qū)域過度曝光，或較暗的區(qū)域欠曝光的現(xiàn)象。CCD寬動態(tài)技術(shù)是采用特殊DSP（數(shù)字信號處理）電路，對明亮部分進行最合適的快門速度曝光，然后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個圖像進行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。由于CCD的感光特性所限制，在技術(shù)上很難在有重大突破，有的CMOS技術(shù)已經(jīng)達到160dB,可以說未來的監(jiān)控攝像機屬于寬動態(tài)攝像機，寬動態(tài)技術(shù)屬于CMOS。二樓解釋100%全面，我還有話要說：寬動態(tài)技術(shù)能使攝像機在暗處獲得明亮圖像的同時使明亮處不受飽和度的影響。在寬動態(tài)技術(shù)的支持下，使攝像機可在任何地方獲取對應(yīng)用BLC技術(shù)更為鮮艷的彩色圖像。它能使監(jiān)視區(qū)域中對高光照區(qū)域使用高速快門曝光，而對低光照區(qū)域使用低速快門曝光，生成的二幅圖像組合從而合成圖像，所以能獲得圖像暗處的細節(jié)，而圖像的