扩展CCD相机动态范围的方法
传统的CCD相机在采集图像的过程中只对整幅图像进行一次采样，因此必然会出现整幅图像中亮区曝光过度或暗区曝光不足的现象。在安防监控摄像机的应用过程中，经常会出现明暗对比较大或逆光的场景。出于安全原因，CCD摄像机安装在需要监控的室内和室外。由于同一地点往往存在多种光照条件监控摄像机宽动态设置多少值合适，很多地方的光照条件分为日光和人工光照的混光，不同时间段会有明暗对比。非常大，背光等，如银行储蓄所，重要场所的出入口等。由于窗户的强光和天花板上荧光灯的柔和光线可能会导致当时的室内外场景难以捕捉，因此无法同时清晰地拍摄出对比强烈的室内外场景。拍摄的图像可能背景太亮而前景太暗，或者背景清晰而前景太暗而前景太亮而与背景相比。最早的解决方案一般是采用逆光补偿技术或在室内外放置两个摄像头以适应大的光线对比度，但效果不是很理想，于是宽动态技术诞生了。
在安防监控领域，所谓摄像机的宽动态范围，即WDR（Wide Range），其实是指摄像机可以同时清晰地看到图像最亮和最暗部分的照度比。因此，宽动态相机的动态范围是相机对图像最暗和最亮的调节范围。相机的动态范围越大，图像的层次就越丰富、越清晰。当然，图像的色彩空间更宽，即宽动态相机适应逆光环境的能力也更大。宽动态技术 自 1977 年松下首次推出第一代宽动态摄像机以来，安防监控领域的技术变革推动了安防行业的快速发展。
从1999年到2002年，松下推出了第二代宽动态相机，其动态范围可以达到普通相机的80倍。将两张图片中画质较好的部分提取出来，通过增强的数字处理技术进行合成，得到清晰的图片。此时图像的噪声较小，可通过编程设置；但对DSP性能要求高，色彩还原性差，对运动目标的效果也不是很理想。
2003年至2008年，以松下为代表的厂商率先推出第三代超动态相机。该类相机采用基于每个像素的160倍动态范围技术，双倍速CCD输出信号的动态范围增大。根据每个像素的输入信号电平，实现图像的灰度优化。此外，三星电子等厂商相继推出80x WDR相机和160x WDR相机。160倍动态范围技术具有超宽动态范围和良好色彩还原等优点，但对DSP性能（尤其是处理速度）要求较高。
这种CCD宽动态技术采用特殊的DSP（数字信号处理）电路，以最合适的快门速度曝光亮部，然后以最合适的快门速度曝光暗部，然后对两张图像进行DSP处理。重新组合以便可以清楚地看到明亮部分和黑暗部分需要先进的技术，以尽量减少颜色和清晰度的损失。由于扫描速度需要加倍，所以需要双速CCD和相应的DSP芯片来支持，这也是宽动态CCD相机价格高的原因。
下面介绍扩展CCD相机动态范围的基本原理，四种扩展动态范围的方法，性能对比，以及动态范围的具体测试方法。
扩展CCD相机动态范围的方法
目前，扩大CCD相机动态范围的方法有四种：
1、单帧图像双采样方法
首先，使用成像设备CCD以标准速度（如用1/50s快门）对监控场景进行首次曝光，并将得到的第一帧图像存入数据缓冲存储器；
其次，数字信号处理器DSP用于分析发送的图像数据。例如，图像较暗的部分正常曝光，存在一些曝光过度的区域（即高亮区域），需要进行亮度评估；
第三，根据亮度评估结果，使用高速快门进行曝光（如1/2000s快门），将第二次拍摄的图像存入数据缓冲存储器；
最后，利用DSP及其内嵌的独特图像处理算法，将两幅图像中亮度合适的部分分别裁剪出来，合成一帧新的图像。
这种方法就是所谓的单帧图像“二次采样法”，或“二次复合电子快门”。其典型特点是基于中速感光器件和高速DSP的双采样曝光和图像分割合成技术。
单帧图像多重采样方法
2、单帧图像多重采样方法
首先，使用成像设备CCD以标准速度（如用1/50s快门）对监控场景进行首次曝光，并将得到的第一帧图像存入数据缓冲存储器；
其次，数字信号处理器DSP通过独特的图像处理算法对发送的图像数据进行分析。当正常曝光图像的较暗部分时，评估过度曝光区域（即高亮度区域）的亮度。;
第三，根据亮度评估结果，使用高速快门进行曝光（如1/2000s快门），将第二次拍摄的图像存入数据缓冲存储器；
四、根据图像从最暗区域到最亮区域的中间过渡范围的整体评价，对图像进行3次中级曝光，使过渡中亮度不同的三帧曝光图像获得范围；
最后，通过独特的图像识别算法，将上述五幅图像中亮度合适的部分分别裁剪出来，再合成到新的一帧图像中，就可以完成一张满意的图像并最终输出。
这种方法是单帧图像的“多重采样方法”，或“五倍复合电子快门”。其典型特点是基于高速感光器件和高速DSP的多重采样曝光和图像分割合成技术。
3、对数压缩放大方式
首先，利用成像器件CCD和标准测光/曝光控制电路以适当的速度对监控场景进行曝光，并将积累的电荷以标准方式传送到后端前置放大器进行放大。接下来，前置放大器在对图像中合适的亮度和较暗区域进行放大时，采用近似线性的放大比例（对数曲线的下端），即随着图像亮度的增加，放大输出，使放大器的放大倍率基本恒定，达到保持适当亮度和较暗区域的目的；前置放大器在放大图像中较亮的区域时采用非线性（渐进斜率压缩）放大方法（对数曲线）。放大器的上端），即 放大器的放大率随着图像亮度的增加而相应降低，使放大器的放大率和输出电平逐渐降低，但下降得非常快，达到压缩高亮区域的目的。因此，使较暗区域的亮度适当，并压缩高亮度区域的亮度以输出中等图像。
这种方法称为“对数压缩和放大”，或“自动拐点采样法”。其典型特点是基于普通感光器件单次曝光和非线性前置放大器的对数曲线放大方法。
4、输出信号伽马校正方法
首先监控摄像机宽动态设置多少值合适，利用成像器件CCD和标准测光/曝光控制电路，以适当的速度对监控场景进行曝光，并将得到的图像存储在数据缓冲存储器中；
其次，通过设计的模拟电路或利用DSP中独特的图像处理算法，对图像中不同的亮度等级进行采样，并将相近的等级分成若干等级。划分的级数取决于数字处理方法。图像的复杂度和DSP的处理能力；
最后，根据用户要求的方法，分组逐渐减小高亮层之间的灰度关系，逐渐增大低亮层之间的灰度关系，从而扩大层次中的分层关系。低亮度区域，压缩高亮度区域的层次关系。目的，从而间接扩大图像亮度的动态范围。
这种方法称为“伽玛校正法”，或“灰度比校正法”。其典型特点是基于模拟电路或校正算法加DSP的单次曝光的输出灰阶比校正方法。
比较四个扩展 CCD 相机的动态范围
四款动态范围扩展CCD相机的性能比较
对数压缩和放大的方法会改变图像的色彩和信噪比，从而在一定程度上降低图像质量。因此，后续的图像信号处理电路需要设计复杂。由于该技术的复杂性和高成本，主要用于广播电视用途的摄像头，不用于安防监控摄像头。
输出信号伽玛值校正方法只是改变了输出信号的电平，并没有真正提高原始信号的电平，所以只是提高了视觉感知。事实上，相机并没有感觉到真实的水平变化。此外，它的成本也太高，所以主要用于广播电视用途的摄像机。在安防监控摄像头领域，只是简化了。作为辅助手段，在相机中建立了菜单调整。
在安防监控摄像头的动态范围扩展技术中，其实二次曝光和多次曝光是最理想、最常用的。其中，双重曝光方式已被众多相机厂商掌握并流行开来。但是，由于只选择了两次曝光速度，因此图像的过渡级别小于多重曝光方法。
多重曝光方式仍然是CCD相机行业中最好的动态范围扩展方式，因为它可以对监控场景进行多次采样，从而得到最丰富的实际原始电平，从而可以保存最原始的信息。该技术目前只有日本JVC等5家公司掌握。
如何测试相机的动态范围
摄像机动态范围的测试方法可能不同，但测试原理是相似的。这是一个基本的方法。
1、测试相机动态范围所需的设备和条件
测试设备：
①透射灰卡和反射灰卡；
②亮度可调背光灯箱和亮度可调照明光源；
③ 视频监视器和波形监视器；
④ 照度计或照度计；
⑤ 标准内透镜等
测试条件：需要在暗室中进行。
2、相机动态范围测试的基本方法和步骤
第一步：将两组二级灰度测试卡安装在暗室的同一垂直平面上，其中一组透射灰度测试卡以亮度可调的背光源作为恒定基准来调整亮度。背光，以确保它是从前面。中心确认白块表面的发散照度为 ；另一组反射灰卡使用位于其正面的亮度可调照明光源来确定动态范围的临界值；
第二步：将待测相机与灰度测试卡中心设置在与水平面相同的高度，并与灰度测试卡的垂直面保持90°角，同时使相机镜头视角覆盖两组灰度测试卡；
第三步：将摄像机的输出信号连接到视频监视器和波形监视器；
第四步：待相机开机稳定后，开启扩展动态范围功能，将前照光源亮度调至 。很明显，在这个照度下，就是过曝了（出厂标准照度居多），此时反射灰卡的白色端条可能会分层混合，即有两条或两条以上的灰条显示相同白色，无法区分亮度差异；
第五步：慢慢降低光源亮度，从波形监视器连续观察并记录反射灰阶测试卡波形的最高电平。当顶层由于光源照度的降低而开始相应下降时，记录此时的照度值（如L1)，这个照度值就是相机动态范围的上限。此时的相机应该能够表达较亮的白色条纹之间的亮度等级差异；
第六步：然后继续慢慢降低亮度，从波形监视器上连续观察并记录反射灰阶测试卡波形的顶层。当顶层由于光源的照度降低不再继续相应下降时，记录此时的照度值（如L2)，这个照度值就是动态范围的下限此时，摄像头捕捉到的灰度为 卡片图像中两条深灰黑色条纹之间的亮度差异，应该刚好消失，融合成一团黑色。
3、测试结果计算
使用上述实际测试方法计算动态范围的公式如下：
动态范围=/L2(dB)
用上述测试方法测量日本JVC公司的CCD宽动态相机TK-在1.1Lux开始到结束时的顶层变化，由上式可得：
动态范围=/1.1=66dB
用上述测试方法测量某公司CCD宽动态相机从5Lux开始到结束的顶层变化动态范围为：
动态范围=/5=49dB
结束语
由上可见，在安防监控领域，CCD宽动态技术采用特殊的DSP电路，以最合适的快门速度曝光亮部，再以最合适的快门速度曝光暗部，然后处理这两个图像。重新组合 DSP 处理，以便可以清楚地看到明亮部分和黑暗部分。但无论如何，经过这样处理的图像会失去原有的色彩效果，这也是目前广动态相机面临的最大问题。在常用的双采样方法中，CCD的最大动态范围只能达到54dB。显然，最好使用多种采样方法。例如日本JVC公司的CCD宽动态相机TK-的动态范围可以达到66dB。
文章来源:https://security.zol.com.cn/197/1972378_all.html
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