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寬動(dòng)態(tài)是指攝像機(jī)同時(shí)可以看清楚圖像最亮與最暗部分的照度比值。攝像機(jī)的“動(dòng)態(tài)范圍”是指攝像機(jī)對(duì)拍攝場(chǎng)景中景物光照反射的適應(yīng)能力，具體指亮度（反差）及色溫（反差）的變化范圍。即表示攝像機(jī)對(duì)圖像的最“暗”和最"亮”的調(diào)整范圍，是靜態(tài)圖像或視頻幀中最亮色調(diào)與最暗色調(diào)的比值。而色調(diào)能呈現(xiàn)出圖像或幀中的精準(zhǔn)細(xì)節(jié)，作為兩種色調(diào)的比值，動(dòng)態(tài)范圍的單位可以是分貝、比特、檔，或者簡(jiǎn)單以比率或倍數(shù)來(lái)表示。各種單位之間的換算方法如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)范圍各單位之間的換算方法

比特 檔 比率 倍數(shù) 分貝

1 1 1:2 2x 6dB

2 2 1:4 4x 12dB

3 3 1:8 8x 18dB

4 4 1:16 16x 24dB

5 5 1:32 32x 30dB

6 6 1:64 64x 36dB

7 7 1:128 128x 42dB

8 8 1:256 256x 48dB

9 9 1:512 5i2x 54dB

10 10 1:1024 1024x 60dB

11 11 1:2048 2048x 66dB

12 12 1:4096 4096x 72dB

13 13 1:8192 8192x 78dB

14 14 1:16384 16384x 84dB

15 15 1:32768 32768x 90dB

16 16 1:65536 65536x 96dB

17 17 1:131072 131072x 102dB

18 18 1:262144 262144x 108dB

19 19 1:524288 524288x 114dB

20 20 1:1048576 1048576x 120dB

 

表1僅列出了20檔動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)檫@幾乎涵蓋了人眼所能分辨的所有動(dòng)態(tài)范圍，而超過(guò)這些檔位的動(dòng)態(tài)范圍就沒(méi)有太大的實(shí)際意義。

一、CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的原理與方法

目前，CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法有如下4種。

•輸出信號(hào)伽馬修正方法；

•對(duì)數(shù)壓縮放大方法；

•單幀圖像兩次取樣方法；

•單幀圖像多次取樣方法。

在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，一般多采用單幀圖像2次或5次取樣方法。以松下為首的廠商，率先采用了兩次曝光取樣法，即“單幀圖像2次取樣方法”，或說(shuō)“2次合成電子快門”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的2次取樣曝光及圖像分割合成技術(shù)。這種單幀圖像2次取樣方法的工作過(guò)程如下。

首先，利用成像器件CCD對(duì)較暗的景物取得正確曝光（如用1/50s快門），其曝光量如圖1（a）所示，將得到的第1幀圖像存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中。

圖1 雙曝光時(shí)間與曝光量示意圖

其次，利用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP對(duì)送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖像中較暗的部分曝光正常，而有部分曝光過(guò)度的區(qū)域（即高亮度區(qū)域），就要對(duì)其進(jìn)行亮度評(píng)估。

第三，根據(jù)亮度評(píng)估結(jié)果，再采用高速快門進(jìn)行曝光（如1/2000s快門），其曝光量如圖1（b）所示，并將第2次拍攝的圖像也存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中，如此即可同時(shí)取得兩張對(duì)明暗兩區(qū)均為正確的影像。

最后，再利用高速DSP并通過(guò)其中嵌入的特有的圖像處理算法，將兩影像在DSP中高速運(yùn)算相加，即將兩幅圖像中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來(lái)，然后在一幀新的圖像中合成起來(lái)，就可標(biāo)準(zhǔn)制式實(shí)時(shí)輸出亮暗動(dòng)態(tài)范圍很寬的圖像。例如，室內(nèi)人物照度為10Lx，而室外景物為1000Lx，此時(shí)CCD攝像機(jī)可采用1/60s的速度對(duì)室內(nèi)景物取得正確曝光，再用1/6000秒對(duì)室外景物取得正確曝光，然后將兩張圖像結(jié)合即成為比較完美的圖像。

顯然，傳感器在第二次曝光時(shí)需要將第一次曝光得到的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，因而該方法需要雙倍的內(nèi)存。為消除這種額外的內(nèi)存開(kāi)銷，采用兩次曝光技術(shù)的很多產(chǎn)品不得不將垂直分辨率減少為一半。這種方法雖然提升了動(dòng)態(tài)范圍，但卻犧牲了圖像的真實(shí)分辨率和色彩精確度。所以，兩次曝光的圖像總是看起來(lái)很蒼白，好像褪了色一樣。顯而易見(jiàn)，5次或多次曝光取樣方法圖像自然會(huì)好一些。

二、CMOS攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的原理與方法

盡管CCD攝像機(jī)采用2次曝光法的寬動(dòng)態(tài)范圍已達(dá)到了54dB，而采用5次取樣方式，其動(dòng)態(tài)范圍最多也只能達(dá)到66dB。而現(xiàn)在已經(jīng)推出的CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，如加拿大Dalsa公司采用線性-對(duì)數(shù)輸出模式的IM28-SA型CMOS攝像機(jī)，以及美國(guó)Pixim的CMOS-DPS攝像機(jī)，其寬動(dòng)態(tài)范圍最大能達(dá)到120dB。