四款CCD宽动态相机性能对比

传统的CCD相机在拍摄图像的过程中只对整个图像进行一次采样，因此难免会出现整幅图像中亮部曝光过度或暗​​部曝光不足的现象。 在安防监控摄像头的应用过程中，经常会出现明暗反差大或逆光的场景。 出于安全考虑，CCD摄像机安装在需要监控的室内和室外。 由于同一地点往往面临多种光照条件，许多地方的光照条件分为日光和人工照明的混合光，在不同时间存在明暗对比。 非常大，逆光等，如银行储蓄所，重要场所出入口等。由于窗户的强光和天花板荧光灯的柔和光线可能会导致难以捕捉室内和当时的室外场景，不可能同时清晰地拍出反差很大的室内外场景。 在拍摄的图像中，背景太亮，前景太暗，或者背景清晰，前景太暗，前景比背景太亮。 最早的解决方案一般采用逆光补偿技术或者在室内外放置两个摄像头来适应大的光反差，但效果不是很理想，宽动态技术由此诞生。

在安防监控领域，所谓摄像头的宽动态范围，即WDR（Wide Dynamic Range），实际上是指摄像头能看清的图像最亮部分和最暗部分的照度比。同一时间。 因此，宽动态摄像机的动态范围是指摄像机对最暗和最亮图像的调节范围。 相机的动态范围越大，图像的层次感就越丰富清晰。 当然，图像的色彩空间会更广，也就是宽动态相机适应逆光环境的能力会更大。 宽动态技术松下自1977年推出第一代宽动态摄像机以来，在安防监控领域进行了一次又一次的技术变革，带动了安防行业的快速发展。

1999年至2002年，松下推出第二代宽动态相机，其动态范围可达到普通相机的80倍。 它采用增强的数字处理技术，将两幅画面中画质较好的部分提取出来，合成得到清晰的画面。 此时图像的噪点很小，可以通过编程设置； 但对DSP性能要求高，色彩还原差，对运动物体的效果不是很理想。

2003年至2008年，以松下为代表的厂商率先推出了第三代超动态相机。 该款相机采用了基于每个像素的160倍动态范围技术，增加了双速CCD输出信号的动态范围。 DSP采用“区域无关（基于每个像素）自然对比度图像校正”技术。 根据每个像素的输入信号电平，实现图像的灰度优化。 此外，三星电子等厂商也相继推出了80倍宽动态相机和160倍宽动态相机。 160x动态范围技术具有动态范围超宽、色彩还原好等优点，但对DSP性能（尤其是处理速度）要求较高。

这种CCD宽动态技术是利用特殊的DSP（数字信号处理）电路，以最合适的快门速度曝光亮部，再以最合适的快门速度曝光暗部，再对两幅图像进行DSP处理重新组合使明暗部分清晰可见需要高水平的技术，以尽量减少颜色和清晰度的损失。 由于扫描速度要提高一倍，就需要倍速CCD和相应的DSP芯片来支持，这也是宽动态CCD相机价格比较高的原因。

下面介绍CCD相机扩展动态范围的基本原理、扩展动态范围的4种方法、性能比较、动态范围的具体测试方法。

目前，扩大CCD相机动态范围的方法有以下四种：

1、单帧图像双采样法

首先，使用成像器件CCD以标准速度（如使用1/50s快门）对监控场景进行首次曝光，并将获得的第一帧图像存入数据缓冲存储器中；

其次，数字信号处理器DSP用于分析发送的图像数据。 如果图像的较暗部分曝光正常，但有一些过曝区域（即高亮度区域），则需要进行亮度评估； 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），并将第二张拍摄图像存储在数据缓冲存储器中。

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裁剪出来，合成到一帧新的图像中。

这种方法就是所谓的单帧图像的“双采样法”，或“二次合成电子快门”。 其典型特点是双采样曝光和基于中速感光器件和高速DSP的图像分割合成技术。

2、单帧图像的多次采样方法

首先，使用成像器件CCD以标准速度（如使用1/50s快门）对监控场景进行首次曝光，并将获得的第一帧图像存入数据缓冲存储器中；

其次，采用数字信号处理器DSP，通过独特的图像处理算法对发送的图像数据进行分析。 当图像的较暗部分正常曝光时，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，采用高速快门曝光（如1/2000s快门），第二次拍摄的图像也存储在数据缓冲存储器中；

四、根据对图像从最暗区域到最亮区域的中间过渡范围的整体评价，在中间层次对图像进行三次曝光，使得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裁剪出来，合成到新的一帧图像中，完成最终输出一张满意的图像。

这种方法就是单帧图像的“多次采样法”，或者说“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的多次采样曝光和图像分割合成技术。

3、对数压缩放大法

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至后端前置放大器进行放大。 然后，前置放大器在放大图像中适当的亮度和较暗区域时，采用近线性放大比例（对数曲线的下端），即输出随着图像亮度的增加而放大，因此放大器的放大倍率基本恒定，以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亮度较高的区域时，采用非线性（渐变斜率压缩）放大方式（对数曲线 图像的上端），即随着图像亮度的增加，放大放大器的放大倍率也相应降低，这样放大器的放大倍率和输出电平就会逐渐下降，但下降的速度非常快，以达到压缩高亮区的目的。 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适度的图像。

这种方法就是“对数压缩放大法”，或“自动拐点采样法”。 其典型特征是基于普通光敏器件单次曝光的对数曲线放大方式和非线性前置放大器。

4、输出信号gamma校正方法

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，并将获得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，对图像中的不同亮度等级进行采样，将相近的等级分成若干等级。 级别数取决于数字处理方法。 图像的复杂程度和DSP的处理能力；

最后根据用户要求的方法，分组逐渐降低高亮度级之间的灰度关系，同时逐渐增加低亮度级之间的灰度关系，从而扩展低亮度区域的电平关系和压缩高亮度区域的电平关系。 目的，从而间接地扩大图像亮度的动态范围。

这种方法称为“伽马校正法”，或“灰度比校正法”。 其典型特征是基于模拟电路或校正算法加DSP的单次曝光输出灰阶比校正方法。

CCD相机四种扩展动态范围的性能比较

四种扩展CCD相机动态范围的性能比较如下表所示。

4种扩展动态范围CCD相机性能对比表

对数压缩放大方式会改变图像的颜色和信噪比，对图像有一定的劣化作用，因此需要对后续的图像信号处理电路进行复杂的设计。 由于该技术复杂、成本高，目前主要用于广播电视摄像机，在安防监控摄像机中应用较少。

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受，摄像机并不能真正感受到真实的电平变化。 另外，它的成本太高，所以主要用于广电摄像头，在安防监控摄像头领域才有所简化。 作为辅助手段，在相机中建立了单独的菜单调整。

就安防监控摄像头的动态范围扩展技术而言，双曝光和多重曝光的效果其实是最理想的，也是用的最多的。 其中，双重曝光方式已经被很多相机厂商所掌握，并开始流行起来。 但由于曝光速度只有两种选择，因此图像的过渡层次比多重曝光方法要少。

多重曝光法可以对监控场景进行多次曝光采样，使得实际得到的原始图层最丰富，所以可以保存最原始的信息，所以它仍然是CCD中最好的动态范围扩展方法相机行业。 该技术只有日本JVC等5家企业掌握。

相机动态范围测试方法

相机动态范围的测试方法可能不同，但测试原理大同小异，这里介绍一个基本的方法。

一、相机动态范围测试所需的设备及条件

测试的设备：

① 透射灰度卡和反射灰度卡；

②亮度可调的背光箱和亮度可调的光源；

③视频监控和波形监控；

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。

二、相机动态范围测试的基本方法和步骤

第一步：将两套双级灰度测试卡安装在暗室桌子的同一垂直面上，一套透射灰度卡以亮度可调的背光源作为恒定参考，调节亮度背光源保证中心确认白块表面的发散照度为2500Lux； 另一组反射灰度卡在其正面使用亮度可调的照明光源来确定动态范围的临界值。

第二步：将待测相机架设在与灰度测试卡中心同一水平面上，并与灰度测试卡垂直面保持90°角，同时使相机镜头角度为查看封面两套灰度测试卡；

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：相机开机稳定后，开启扩展动态范围功能，调整前置光源亮度为2500Lux。 很明显，在此照度下曝光过度（出厂标准照度多为2000Lux），此时反射灰度卡的白色端条纹可能会出现层次感，即两个或多个灰度条显示相同的白色，但可以无法区分亮度的差异；

第五步：慢慢降低光源亮度，从波形监视器上不断观察记录反射灰阶测试卡波形的顶层。 当顶层因光源照度降低而开始降低时，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。 此时的摄像头应该刚好能够显示较亮的白色条纹之间的亮度水平差异；

第六步：然后继续慢慢降低亮度，不断从波形监视器上观察记录反射灰阶测试卡波形的最高电平。 当峰值电平不再因光源照度降低而继续下降时，记录此时的照度值（如L2），此照度值即为相机动态范围的下限。 此时，在相机拍摄的灰度卡片图像中，两条亮度较暗的灰黑色条纹之间的亮度级差应该刚好消失，混合成一片黑色。

3、测试结果的计算

用上述实际测试方法计算动态范围的公式如下：

动态范围=20logL1/L2(dB)???(2)

采用上述测试方法，测得日本JVC公司CCD宽动态相机TK-WD310EC从2200Lux到1.1Lux的顶位变化，由上式可得

动态范围=20log2200/1.1=66dB

用上述测试方法测得某公司CCD宽动态相机的顶位变化，从1500Lux到5Lux的动态范围为：

动态范围=20log1500/5=49dB

结论

由上可知，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，并且然后比较两个图像。 DSP 进行重组处理，使亮部和暗部清晰可见。 但无论怎样，这样处理后的图像都会失去原有的色彩效果，这也是目前宽动态相机面临的最大问题。 在常用的双采样方式中，CCD的最大动态范围只能达到54dB。 显然，多次采样是最好的方式，如日本JVC公司的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC动态范围可达66dB。

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