本文著重從寬動態(tài)攝像機(jī)的發(fā)展背景出發(fā)，介紹了背光補(bǔ)償技術(shù)、兩種不同的寬動態(tài)技術(shù)比較以及寬動態(tài)攝像機(jī)的幾種主要功能。為讀者們提供了一個系統(tǒng)的寬動態(tài)攝像機(jī)的技術(shù)理論和發(fā)展情況。

    現(xiàn)在寬動態(tài)攝像機(jī)已不是新鮮的事物，早在十年前，松下就研制出了第一代寬動態(tài)攝像機(jī)。到2005年，松下推出了第三代寬動態(tài)攝像機(jī)，高達(dá)160倍的寬動態(tài)范圍，從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)了寬動態(tài)效果。

    在監(jiān)控攝像機(jī)的應(yīng)用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景。在同一位置往往會面臨多種照明條件，很多地方照明分為日光和人工照明的混合光，并在不同時段下出現(xiàn)明暗反差非常大或者說強(qiáng)背光的情況，如在銀行的儲蓄所、出入口等處，因?yàn)閺拇巴馍淙氲膹?qiáng)光都可能對當(dāng)時室內(nèi)外場景的捕獲造成困難，不能同時將反差很大的室內(nèi)外場景清晰地拍攝下來。

    普通攝像機(jī)由于受CCD感光特性所限制，拍攝的圖像會出現(xiàn)背景清晰前景過暗的情況，效果不理想。一個普通攝像機(jī)只有一個快門速度選擇，其取所有進(jìn)入CCD光線亮度的平均值決定曝光等級，普通的攝像機(jī)在采集圖像信號后，根據(jù)畫面的整體亮度對畫面進(jìn)行一個自動增益調(diào)整。這不是一個理想的辦法，當(dāng)快門速度增加的時候，光圈被關(guān)閉導(dǎo)致主要目標(biāo)變得太黑而看不見。這種情況在同一幅畫面明暗對比很強(qiáng)烈時，會出現(xiàn)無法控制合適的曝光速度，導(dǎo)致畫面背景明亮前景發(fā)黑的情況。

背光補(bǔ)償技術(shù)
    為了解決上述問題，一種稱為背光補(bǔ)償?shù)姆椒ㄍㄟ^對區(qū)域加權(quán)被廣泛使用在具有背光補(bǔ)償功能的攝像機(jī)上。背光補(bǔ)償技術(shù)首先將視場分割成若干個區(qū)域，每個區(qū)域都可以獨(dú)立加權(quán)計(jì)算曝光等級，例如中間部分就可以加權(quán)到是其余區(qū)塊的數(shù)倍。因此，一個在畫面中間位置的目標(biāo)可以被看得清晰些，因?yàn)槠毓庵饕菂⒄罩虚g區(qū)域的光線等級進(jìn)行計(jì)算。然而有一個非常大的缺陷，如果主要目標(biāo)從中間移動到畫面的上下左右位置，目標(biāo)會變得非常黑，因?yàn)樵谶@些位置已經(jīng)不被加權(quán)或只加較小的權(quán)。所以說有背光補(bǔ)償功能的攝像機(jī)，僅只能有限地改善背景明亮前景發(fā)黑的問題。背光補(bǔ)償功能雖然在整體上不會出現(xiàn)曝光過度或者過暗的情況，并使得發(fā)黑的前景有所改善，但要達(dá)到令人尚可滿意的整體效果還是有相當(dāng)?shù)木嚯x（背光補(bǔ)償技術(shù)在兩種不同攝像機(jī)中的應(yīng)用比較如圖1所示）。

    自寬動態(tài)技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決了以上述問題。寬動態(tài)攝像機(jī)（不管是采用DSP技術(shù)的CCD攝像機(jī)，還是采用DPS技術(shù)的CMOS攝像機(jī)）采用了先進(jìn)的寬動態(tài)圖像傳感器和圖像處理技術(shù)，視頻傳感器在曝光周期內(nèi)對每一個像素點(diǎn)的采光進(jìn)行多次取樣，不僅記錄每個像素的采光總量，也計(jì)算采光的變化速率，對每個像素的曝光處理可以達(dá)到更寬的動態(tài)范圍。

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當(dāng)前主要的寬動態(tài)技術(shù)比較
    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(jìn)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，之后將兩個圖像進(jìn)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。這需要較高的技術(shù)使色彩和清晰度損失最小。但無論怎樣，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(jī)面臨的最大問題。然而由于CCD的特性所限制，攝像機(jī)寬動態(tài)范圍最大只能到60dB（松下第二代超級寬動態(tài)范圍80倍--48dB、第三代寬動態(tài)范圍達(dá)到160倍--54dB）。這就是我們平常所說的CCD寬動態(tài)攝像機(jī)的工作原理，因?yàn)閽呙杷俣纫岣咭槐?，所以需要雙速CCD和相應(yīng)的DSP芯片進(jìn)行支持，這也是寬動態(tài)CCD攝像機(jī)價格比較高的原因。

    寬動態(tài)技術(shù)并不是CCD攝像機(jī)獨(dú)有的，由于CCD的感光特性限制，在技術(shù)上很難再有重大突破，而CMOS寬動態(tài)攝像機(jī)將會有突出的表現(xiàn)，可以說未來的監(jiān)控攝像機(jī)都會有寬動態(tài)功能，而寬動態(tài)技術(shù)將屬于CMOS。

    其中以Pixim公司最新出來的基于CMOS技術(shù)的DPS圖像拾取系統(tǒng)最為突出。此系統(tǒng)可以通過其超強(qiáng)的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖像?？梢赃_(dá)到比CCD更真實(shí)、更清晰的圖像。在動態(tài)范圍上，DPS采用的單一像素曝光和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(jī)的動態(tài)范圍可到達(dá)95dB，最高可至120dB。在擴(kuò)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(shí)性上的不足，其色彩還原性更加真實(shí)，完全能夠滿足不同條件下不同用戶的要求。

    DPS技術(shù)的核心是在每個像素點(diǎn)在捕捉圖像時即將光信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號——由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC(analog-to-digital converter),這樣使信號衰減和色度亮度串?dāng)_降到最小，使傳感器為每個像素提供最佳、獨(dú)立的曝光次數(shù)，一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字形式被捕獲，多種多樣的數(shù)字信號處理技術(shù)可被用于圖像再現(xiàn)。即使在極端照明的條件下都能拍出還原準(zhǔn)確、低噪聲的圖像。

    Pixim的DPS技術(shù)使用被稱為“多點(diǎn)采樣”技術(shù)，在一個單獨(dú)的捕獲畫面，每個像素被獨(dú)立地?zé)o破壞性地多次取樣。成像系統(tǒng)決定最佳取樣時間和存儲像素信息。每個像素捕捉到的存儲信息值（強(qiáng)度、時間、噪波彌補(bǔ)）被并行處理，然后轉(zhuǎn)換成高質(zhì)量的圖像。對比之下，其它技術(shù)每幀設(shè)定一個曝光時間，并同時對每個像素取樣，結(jié)果導(dǎo)致一些圖像的像素曝光不足，還有一些像素曝光過度了。

    因?yàn)镻ixim的DPS技術(shù)的每一像素都有自己的模擬——數(shù)字轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生的信息被獨(dú)立捕捉和處理，每一個像素在其攝像機(jī)內(nèi)都起到了作用。在圖像傳感器的像素排列位置上，每一個像素的曝光時間被調(diào)節(jié)去處理獨(dú)特的光條件?；贒PS系統(tǒng)平臺制造的一個攝像機(jī)實(shí)質(zhì)上都有成千上萬個獨(dú)立攝像單元，每個攝像單元都盡可能創(chuàng)作出最好的圖像。這些圖像然后被結(jié)合起來創(chuàng)造一幀高質(zhì)量的視頻畫面。

寬動態(tài)攝像機(jī)的主要功能
    時隔三年不到的時間，奮起直追的中國安防行業(yè)，己經(jīng)逐步接觸并開始掌握了寬動態(tài)技術(shù)，寬動態(tài)攝像機(jī)開始走進(jìn)了尋常百姓家。銀行和城市道路監(jiān)控是監(jiān)控系統(tǒng)最大的消費(fèi)行業(yè)，理所當(dāng)然地成為了寬動態(tài)技術(shù)的最先受益者。

    在銀行各儲蓄網(wǎng)點(diǎn)中，柜員、ATM機(jī)和大廳是主要的監(jiān)控場所。柜員從柜臺內(nèi)向柜臺外進(jìn)行監(jiān)控；大廳則是各個角落及進(jìn)出口監(jiān)控；絕大部份ATM機(jī)更是24小時工作，會直接面對強(qiáng)弱光的反復(fù)變化而需進(jìn)行監(jiān)控。一般銀行的儲蓄網(wǎng)點(diǎn)，面積并不是太大，從建筑結(jié)構(gòu)上看，許多都是使用大面積玻璃墻來采光。這種環(huán)境下，背光的情況尤為突出。在看到的很多銀行監(jiān)控錄像中，都會發(fā)現(xiàn)有人像過暗、背景過亮而給人像辨識帶來一定難度的情況。

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    而寬動態(tài)攝像機(jī)用于道路監(jiān)控的重點(diǎn)是高速公路收費(fèi)監(jiān)控，主要是對收費(fèi)站的車道、收費(fèi)廣場、收費(fèi)亭收費(fèi)，對收費(fèi)車道通過的車輛類型、收費(fèi)員的操作過程以及收費(fèi)過程中的突發(fā)事件進(jìn)行觀察和記錄。尤其在晚上，收費(fèi)站工作人員需要看清車牌，而一般情況下，車燈打開后，路上的環(huán)境照度與車牌照度形成了明顯的較大的動態(tài)范圍，而常規(guī)攝像機(jī)是難以勝任“看清”任務(wù)的，所以對寬動態(tài)、低照度攝像機(jī)就有了迫切的需求（普通攝像機(jī)和寬動態(tài)攝像機(jī)抓拍效果圖比較如圖2所示）。

    作為一款高端的監(jiān)控產(chǎn)品，現(xiàn)在已有某些品牌的寬動態(tài)攝像機(jī)能為銀行和道路監(jiān)控提供一系列功能，能夠滿足銀行和道路監(jiān)控應(yīng)用的需求。

    下面以某國產(chǎn)品牌的寬動態(tài)攝像機(jī)為例，讓我們來瀏覽一下該品牌寬動態(tài)攝像機(jī)一系列的功能特點(diǎn)：
·快門選擇功能：可以實(shí)現(xiàn)手動、自動、極速等多種快門選擇模式，完全消除因?yàn)榭扉T速度不匹配而出現(xiàn)畫面閃爍，圖像過暗或過亮的情況。這使得攝像機(jī)在室內(nèi)人工強(qiáng)光環(huán)境下，也能直視強(qiáng)光背景而工作；
·多級自動增益控制功能：寬動態(tài)攝像機(jī)不會只提供一個簡單的AGC開關(guān)，這種模式并不適合于很多特殊的環(huán)境下使用，通過實(shí)踐與技術(shù)的結(jié)合，加入了四級寬動態(tài)模式，即HIGH（6 —52DB）、MIDDLE（6—30DB）、LOW（6—18DB）、OFF（6DB）。用戶可以根據(jù)不同的光照環(huán)境，來調(diào)整所需的寬動態(tài)范圍，從而既實(shí)現(xiàn)視場的寬動態(tài)效果，又確保了圖像的質(zhì)量；
·色彩調(diào)整功能：針對攝像機(jī)容易出現(xiàn)的偏色情況，寬動態(tài)攝像機(jī)不僅提供強(qiáng)大的白平衡設(shè)置功能，而且還額外增加了色彩調(diào)整功能，用戶可以通過菜單，自行對圖像色彩的紅、綠、藍(lán)比值進(jìn)行調(diào)整，以此來滿足不同的使用環(huán)境，不同觀感的客戶群體；
·區(qū)域遮蔽功能：在銀行應(yīng)用領(lǐng)域，區(qū)域遮蔽功能也是必不可少的。在攝像機(jī)設(shè)計(jì)了四個可以開關(guān)、大小和位置都能自行調(diào)整的畫面遮蔽區(qū)域，在應(yīng)用上，操作簡單而且非常實(shí)用；
·畫面遮蔽偵測功能：除了區(qū)域遮蔽功能外，還為銀行客戶提供的四區(qū)域畫面移動偵測功能，以應(yīng)對可能出現(xiàn)在畫面惡意破壞情況，特別是人為的惡意遮擋畫面，影響監(jiān)控的情況發(fā)生；
·其它附加功能：為了在較黑暗的環(huán)境下使用，不僅提供了基本的彩轉(zhuǎn)黑功能，更難得的是，加入了幀積累和數(shù)字降噪功能，使在極其黑暗的環(huán)境下，也能攝取符合要求的監(jiān)控圖像。

結(jié)語
    隨著電視監(jiān)控應(yīng)用的深入和安防要求的不斷提高，寬動態(tài)功能已經(jīng)成為在某些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，對攝像機(jī)提出的一個非常重要的指標(biāo)。寬動態(tài)長久來一直是廠商們所追求的，同時也是用戶所企盼的，其發(fā)展空間廣闊。

    當(dāng)前不管國外還是國內(nèi)，眾多廠家八仙過海各顯神通。目前，攝像機(jī)市場正是五彩繽紛，各廠商適應(yīng)市場需求，紛紛推出了寬動態(tài)攝像機(jī)。在這紛亂的市場環(huán)境中，用戶自己要保持清醒的頭腦，只能根據(jù)自身的具體工程應(yīng)用需求、現(xiàn)場環(huán)境和性價比等，進(jìn)行總體考量，才能酌情選擇出最適合自身的產(chǎn)品。