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1、什么是宽动态摄像机(图解)摄像机这阵子来在技术上似乎很沉寂,红外一体机炒了那么久,卖的人卖的很高兴,吹的人也吹上天,用的人也骂翻天,反正也就这样不了了之,想写些东西,偏偏找不到题材, 还好最近各厂家的炒做题材移到了两个项目: “宽动态” “低照度”,所以赶紧写些东西,让大家有个初步的了解.先谈谈”宽动态”。 动态范围的概念 动态范围最早是信号系统的概念，一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。而在实际用途中，多用对数和比值来表示一个信号系统的动态范围，比如在音频工程中，一个放大器的动态范围可以表示为：D= log（Power_max / Power_min）10。 数字像机
2、也可看作一个信号系统，所以动态范围可分为两个部分，即光学动态范围和输出动态范围。光学动态范围 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显现为白色，而晦暗区域因曝光不足成为黑色。可见，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着局限的，这种局限我们通常称为光线的“动态范围”。其广义是指摄像机对拍摄场景中景物光照反应的适应能力，主要是亮度差和色温反差的适应范围。光学动态范围（DR_Optical）=饱和曝光量/噪声曝光量（暗电流）。 数字相机的光学动态范围主要是由图像传感器决定的。其中饱和
3、曝光量指的是图像传感器达到最大的饱和容量时的曝光量，即无论再怎样增加曝光也无法接受更多的电子了。噪声曝光量相当于在全黑环境时图像传感器仅仅有本身暗电流时的曝光量。图像传感器的动态范围定义公式如下：动态范围(db) = 20*log(全电荷容量/暗电流容量)图像传感器的动态范围定义的是传感器件最大蓄积电荷和最小噪声电荷的倍数关系。而摄像机的（光学）动态范围指的是其传感器达到这两种状态下对应的曝光量的倍数关系。输出动态范围 目前市场上使用的摄像机内都含有DSP（数字信号处理系统）。摄像机的图像是以数字的形式再通过D/A转换成模拟后输出，所以输出动态范围主要由A/D位数决定。位数是决定数字图像系统的
4、一个重要指标，对于一个数字图像系统，信息的存储最终是以数字的方式来进行。所以该系统中必定有一个模拟/数字转换器（A/D Converter）。而A/D转换器的一个重要指标就是A/D的位数。 对于3位2进制来说，可以表达的最大值是2的3次方即8。8位2进制可以表达的数值范围是0-255，16位的范围是0-65535等。 那么什么是A/D转换器的动态范围呢？对于一个8位的A/D，它可以记录的最小信号是1，最大信号是255，那么它的动态范围就是log(255/1)=2.4。这个值显然是不大的。但是注意不要把8位的A/D和8位的色深搞混了。在彩色系统里一共有3个通道，这里的8位指的是每个通道的位数。对
5、于彩色来讲就是24位，也就是我们常说的真彩色。 实际上对于8位的JPG文件来说，能表达的亮度信息也就是这么多。这就是数字和模拟系统的不同之处。但实际上为了保留更大的余量和采用更好的输出方法，基本上各个厂商都采用14bit甚至16bit的A/D转换器。 对于数字系统，位数和动态范围的对应关系，可以说A/D转换器的动态范围对于图像成像的色彩至关重要，A/D转换器的动态范围越大，对于图像来说更加能够反映所摄物体的自然色。 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，
6、而外面风景的照度可能是10,000Lux，对比就是10,000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度，然而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。 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人手里,我们一样一样来分析
7、:所谓宽动态,简单说就是把问题集中在解决逆光环境下所产生的问题. 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
8、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
9、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 了 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(Dou
10、ble 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
11、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PIXI
12、M 方案了,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。
