漢邦高科?攝像機那些事兒之寬動態(tài)

　　隨著視頻監(jiān)控應(yīng)用的日益廣泛，人們對于攝像機的要求也日益提高。然而，攝像機的工作原理與成像效果與人眼相比畢竟不同，即便是處在同一環(huán)境中，通過視頻監(jiān)控看到的畫面與人眼看到的畫面往往存在差異，尤其是光線強弱反差較大的場景，攝像機往往效果不理想。為了解決這個問題，寬動態(tài)技術(shù)應(yīng)運而生。今天，我們就來談?wù)剬拕討B(tài)那些事兒。

　　寬動態(tài)的定義

　　所謂寬動態(tài)，顧名思義，指的是寬的動態(tài)范圍(WDR: Wide Dynamic Range)，有的又稱為高動態(tài)(HDR: High Dynamic Range )。要理解這個概念，首先要明確什么是動態(tài)范圍。

　　在攝像機應(yīng)用領(lǐng)域，動態(tài)范圍一詞包含兩層含義：

　　一、指攝像機適應(yīng)景物照度變化的能力。這是時間域的概念，是指攝像機在不同時間(不同場景)下能采集到的圖像的最大照度范圍。用可以適應(yīng)的最高照度和最低照度的比值來表示。

　　二、指攝像機對同一個場景(同一幅圖像)可以適應(yīng)其照度差別的能力。這是空間域的概念。就是說：對一幅圖像而言，最明亮部分和最暗淡部分的照度的變化范圍。

　　在“寬動態(tài)”一詞中，涉及到的動態(tài)范圍主要是指第二層含義，空間域概念。

　　因此，我們可以這樣來表述“寬動態(tài)”一詞：

　　寬動態(tài)，強調(diào)的是攝像機在空間域中適應(yīng)照度反差(變化范圍)的能力，要求能同時表現(xiàn)出一幅圖像中高度照度部分和低照度部分的細(xì)節(jié)。

　　常規(guī)攝像機效果                                       寬動態(tài)攝像機效果

　　寬動態(tài)的量測指標(biāo)

　　我們在攝像機的技術(shù)參數(shù)中常常看到，對寬動態(tài)的描述一般是“XXdB”，這里的dB就是動態(tài)范圍的單位，其計算方式如下：

　　這里的指的是畫面中的最高亮度，指畫面中的最低亮度。

　　據(jù)此，我們可以知道：80dB表示畫面中最亮與最暗的亮度比值為10000:1，以此類推，所謂的120dB超寬動態(tài)表示畫面中最亮與最暗的亮度比值為1000000:1。

　　逆光補償與強光抑制

　　在實際的監(jiān)控應(yīng)用場合中，我們還會經(jīng)常碰到兩個概念：逆光補償與強光抑制，有人會把它們與寬動態(tài)相混淆。實際上，這兩個概念與寬動態(tài)既有聯(lián)系又有區(qū)別，不能混為一談。

　　逆光補償：在逆光環(huán)境下，觀測物體細(xì)節(jié)偏暗無法看清，需要提升畫面整體亮度，以看清物體。

　　強光抑制：因觀測物體在強光下照射亮度過高導(dǎo)致無法看清，需要壓制畫面整體亮度，才能看清觀測物體。

　　下面的兩張圖片展示了此兩種效果的差異。

　　不開啟逆光補償                                       開啟逆光補償

　　不開啟強光抑制                                        開啟強光抑制

　　逆光補償和強光抑制一般不改變攝像機的動態(tài)范圍，只是根據(jù)被觀測物體的情況提升或壓制畫面亮度。

　　寬動態(tài)提升過暗物體的亮度，同時壓制過曝物體的亮度，從而實現(xiàn)對畫面整體動態(tài)范圍的擴大。

　　從原理上看，寬動態(tài)兼有逆光補償和強光抑制的部分特點，但還不能完全進(jìn)行替代。

　　寬動態(tài)的實現(xiàn)方法

　　目前常見的寬動態(tài)實現(xiàn)方法有兩種：

　　1. 數(shù)字寬動態(tài)：通過ISP對采集到的圖像進(jìn)行處理，調(diào)節(jié)畫面的亮度、飽和度等參數(shù)，從而擴大整體的動態(tài)范圍。

　　2. 光學(xué)寬動態(tài)：對同一幀圖像采取兩次曝光，其中一次為針對較暗區(qū)域的長曝光，另一次為針對明亮區(qū)域的短曝光，將兩次曝光得到的圖像進(jìn)行運算和合成，最后得到一幀明暗反差較小的圖像。在此基礎(chǔ)之上，有的廠家還有多次曝光技術(shù)，效果更好。

　　一般而言，光學(xué)寬動態(tài)的效果要好于數(shù)字寬動態(tài)。

　　下圖表述了兩次曝光合成寬動態(tài)的實現(xiàn)效果。

　　寬動態(tài)的不足

　　世上沒有十全十美的事物。寬動態(tài)提升了畫面的可視亮度范圍，這是它的優(yōu)點;但與此同時也帶來了一些弊端，以光學(xué)寬動態(tài)為例，我們在應(yīng)用中往往發(fā)現(xiàn)如下問題：

　　l 顏色會有一定程度的失真;

　　l 照電腦顯示屏?xí)r會出現(xiàn)滾動橫紋;

　　l 快速移動物體出現(xiàn)彩邊和虛影;

　　以上問題都是因為多次曝光和圖像合成所引起，在當(dāng)前的技術(shù)條件下只能盡量減輕，無法消除。

　　因此，在攝像機選型與應(yīng)用時，不需要用寬動態(tài)的場合沒有必要使用寬動態(tài)效果;針對不同的場景，可以靈活選擇光學(xué)寬動態(tài)、數(shù)字寬動態(tài)、強光抑制、逆光補償?shù)炔煌墓δ?，以達(dá)到最理想的圖像效果;

　　結(jié)語

　　為了讓攝像機能夠適應(yīng)復(fù)雜的光與影，寬動態(tài)來到了世間。此刻，它雖然仍稍顯稚嫩，尚有不足之處，但隨著人類技術(shù)的不斷發(fā)展，它必然能茁壯成長，為視頻監(jiān)控事業(yè)發(fā)揮更大的作用。