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张新房的博客 - 新型智慧城市

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什么是宽动态和宽动态摄像机?  

2007-10-02 15:34:51|  分类: 视频监控系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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什么是宽动态技术?

宽动态技术(Wide Dynamic Range)是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。

当在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时,摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色,而黑暗区域因曝光不足成为黑色,严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的,这种局限就是通常所讲的“动态范围”。
广义上的“动态范围”是指某一变化的事物可能改变的跨度,即其变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域,此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值。这是一个应用非常广泛的概念,在谈及摄像机产品的拍摄图像指标时,一般的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力,具体指亮度(反差)及色温(反差)的变化范围。

宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux到星光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面,室内照度为100Lux,而外面风景的照度可能是10,000Lux,对比就是10,000/100=100:1。这个对比使人眼能很容易地看到,因为人眼能处理1000:1的对比度。然而以传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题,传统摄像机只有3:1的对比性能,它只能选择使用1/60秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光,但是室外的影像会被清除掉(全白);或者换种方法,摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光,但是室内的影像会被清除(全黑)。这是一个自从摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。

什么是宽动态摄像机?

其实“宽动态”、“低照度”,并不是新的技术或观念,这是摄像机长久来一直在追求的目标,可惜所有的重点还是捏在日本厂商手里,我们一样一样来分析:

宽动态摄像机:所谓宽动态,就是把问题集中在解决逆光环境下所产生的问题。先借sdyanfeng的图来看  


摄像机在逆光时,因为整体入光量太大(窗外光线太强了),为避免过曝,快门速度会提高,这就导致背景(高亮度区)正常了,但主体(低亮度区)却曝光不足因此就黑掉了。

现象一:测光为整体测光,现在是高速快门,主体曝光不足,背景曝光正确

但我们主要是要看到屋内的人,窗外的景色在监控上实在不重要,怎么解决这问题?就是改变测光的区域!  在D.S.P 内有个功能,就是能够指定测光的范围,一般把他定在中间1/9 区块,或是再加上下面1/3合起来成一个凸字型。

 

D.S.P以这区块来测光,因为这区块内光线较暗,所以快门速度就降下来了,导致这区块内曝光是正常的,但窗外就会过曝,如下图:

 

现象二:测光为区域测光,现在是低速快门,主体曝光正确,背景过曝

说到这里,有人会说:“这不就是背光补偿嘛!”对!就是背光补偿,那跟宽动态有什么关系?

呵呵! 所谓宽动态,就是能够兼具上面两图的优点,把主体跟背景都能曝光正常。

就像下面这张图一样.


那要怎样才能达到这种效果呢?

会电脑的人就知道了,如果你有一张高快门的,再一张低快门的,就能凑出来了,把高快门那张的背景剪下来:

 

再把低快门那张的背景剪下来


两张一加:


这不就搞定了!

当然,不能用鼠标一点一点来弄,来不及了,因此,得写个软件,自动去判别明暗程度,自动取要的图,自动加起来,最重要的,要每秒能处理25祯,再开颗D.S.P,把软硬件包在一起,就成了“宽动态D.S.P”

到这里,我们了解到:“宽动态影像必需有专用DSP,而且影像是“做”出来的!”

有了D.S.P,问题又来了,那里去找来低快门及高快门各一张的图让它处理?用两颗CCD? 一个高快门,一个低快门? 那不成!怎么摆角度都不可能一样,解决方法就是用一颗CCD,但是上面的每一点在单一时间内曝光两次,一次长曝光(低快门),一次短曝光(高快门),所以每一点都有两个数据输出,就叫“双输出CCD ”正因为每点有两个数据输出,总资料量就比一般CCD多了一倍,因此传输的速度得大上一倍才能把资料搬出来,所以又叫“双速CCD(Double Speed CCD) ”。

就这样了!双输出CCD 扔出一个长曝光及短曝光的讯号给DSP,DSP去运算再加总,所谓“宽动态摄像机”就出来了。

这种搞法是松下在10年前搞出来的,但搞出来后取名字就有问题了“宽动态”(Wide Dynamic) ”这名词以前已经有人用过了,再用就不稀奇了,因此就改个名称叫“超级动态”(Super-Dynamic)  ”,简称SD。
.
上面讲过了,这种宽动态效果是做出来的,因此早期有些问题,例如无法实时处理(会有一些延迟),在明暗交接处没法处理的很智慧(会有毛边),影像不自然(“做”出来的) 等等….经过不断改良,推出新DSP,就有所谓SDII,SDIII(就是第二代第三代啦!),当然,都是松下的,它D.S.P又不外卖,所有的厂家只能干瞪眼了!

直到这几年,索尼推出所谓SS-2 D.S.P 及Double Speed CCD,才有厂家能拿来搞一搞,不过索尼还是维持它一贯传统:D.S.P超难搞定!而且须用两颗DSP才能实现宽动态功能,还要加个菜单(O.S.D),所以当然就卖的贵了,多付出那些钱,得到那些效果,值不值得就看人了。

因此,除了松下的“超动态”,现在市面上所谓“宽动态”CCD摄像机,几乎都是SONY SS-2 方案,而且要两颗DSP在上头的。

还有,因为CCD每点“总”曝光时间是固定的,所以得配自动光圈镜头才行。

说到这里,就不能不说PIXIM 方案了,在这论坛内PIXIM的介绍已经很多了,它是用颗C-MOS,DSP内包了颗ARM9处理器来处理,从资料上看来,它是透过改变C-MOS上每一点的A.G..C 来达成这个效果(真实状况还待众高手来证实了),因此早期的PIXIM一样有影像不自然的缺点(也是“做”出来的),还有是C-MOS先天上照度较差,在低照时影像会无法实时(祯累积),不过这几年来PIXIM不断在进步倒是真的,因为在我们这儿,想搞PIXIM得先付笔权利金,由它提供全部方案,照着做就行了,挑战性太低了,到现在我还是没去搞 (实际上是舍不得那笔权利金,呵呵!)

所以,目前所谓宽动态机,基本上只有三种:松下SDIII,索尼SS-2方案及PIXIM C-MOS方案。

而前面那几张图,只是拿来讲解的示意图,在实际使用上并不是都能达到那效果,想把宽动态摄像机当万灵丹是不可能的,多付出那些钱,得到那些效果,值不值得就看人了。 

 编辑整理:张新房

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