寬動態

廣義上的“動態範圍”是指某一變化的事物可能改變的跨度，即其變化值的最低端極點到最高端極點之間的區域，此區域的描述一般為最高點與最低點之間的差值。這是一個應用非常廣泛的概念，在談及攝像機產品的拍攝圖像指標時，一般的“動態範圍”是指攝像機對拍攝場景中景物光照反射的適應能力，具體指亮度（反差）及色温（反差）的變化範圍。

寬動態攝像機比傳統只具有3:1動態範圍的攝像機超出了幾十倍。自然光線排列成從120,000Lux到星光夜裏的0.00035Lux。當攝像機從室內看窗户外面，室內照度為100Lux，而外面風景的照度可能是10,000Lux,對比就是10,000/100=100:1。這個對比使人眼能很容易地看到，因為人眼能處理1000:1的對比度。然而以傳統的閉路監控攝像機處理它會有很大的問題，傳統攝像機只有3:1的對比性能，它只能選擇使用1/60秒的電子快門來取得室內目標的正確曝光，但是室外的影像會被清除掉（全白）；或者換種方法，攝像機選擇1/6000秒取得室外影像曝光，但是室內的影像會被清除（全黑）。這是一個自從攝像機被髮明以來就一直長期存在的缺陷。

照度是反映光照強度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量，照度的單位是每平方米的流明（Lm）數，也叫做勒克斯（Lux）： 1Lux=1Lm/平方米,上式中，Lm是光通量的單位，其定義是純鉑在熔化温度（約1770℃）時，其1/60平方米的表面面積於1球面度的立體角內所輻射的光量。

1LUX大約等於1燭光在1米距離的照度。為了對照度的量有一個感性的認識，下面舉一例進行計算，一隻100W的白熾燈，其發出的總光通量約為1200Lm，若假定該光通量均勻地分佈在一半球面上，則距該光源1m和5m處的光照度值可分別按下列步驟求得： 半徑為1m的半球面積為2π×1×1=6.28平方米 距光源1m處的光照度值為： 1200Lm/6.28平方米=191Lux同理、半徑為5m的半球面積為:2π×5×5=157平方米 距光源5m處的光照度值為： 1200Lm/157平方米=7.64Lux

可見，從點光源發出的光照度是遵守平方反比律的。我們在攝像機參數規格中常見的最低照度，表示該攝像機能在多黑的環境下看到清晰影像，此數值越小越好，説明CCD的靈敏度越高。同樣條件下，黑白攝像機所需的照度遠比尚須處理色彩濃度的彩色攝像機要低10倍。黑白攝像機的靈敏度大約是0.02-0.5lux(勒克斯)，彩色攝像機多在1lux以上。照度值不僅與鏡頭的光圈大小（F值）有關，與測試時的周邊環境也有着較大的關係，以光圈大小（F值）而言，光圈愈大則其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。 0.97lux/F0.75相當於2.5lux/F1.2相當於1.7lux/F1.0

參考環境與照度：

攝像機按照度可分為

普通型：正常工作所需照度1~3lux

月光型：正常工作所需照度0.1lux左右

星光型：正常工作所需照度0.01lux以下

紅外型：採用紅外燈照明，在沒有光線的情況下也可以成像

寬動態攝像機攝像機的最低照度是指當被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機輸出的視頻信號幅值下降為標準幅值700mV的50%--33%（視頻標稱值為1V，標準值為700mV）：另一種最低照度為CCD上的光照度,也即是CCD的感光度。CCD的光照度值遠低於攝像機的最低照度值，很多不法商人就將CCD的最低照度值標稱為攝像機的最低照度值，以矇騙不知情者，這一點尤其體現在國內的一些OEM產品以及一些雜牌、低端攝像機產品上。

低照度攝像機在市場的演進簡單分為以下三步：白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）；低速快門（SLOW/SHUTTER）及超感度攝像機（EXVIEW HAD）。

1.白天彩色/晚上黑白（晝夜型攝像機COLOR/MONO）

此類攝像機在市場上仍有其特定的需求羣，晝夜型（COLOR/MONO）攝像機是利用黑白圖像對紅外線感度較高的特點，在一定的光源條件，利用線路切換的方式將圖像由彩色轉為黑白，以便於搭配紅外線。在彩色/黑白線路轉換的技術演進過程中，早期曾採用2顆SENSOR（1顆彩色、1顆黑白）共用一組電路再行切換，此類攝像機已採用單一CCD（彩色）設計，在白天或光源充足時為彩色攝像機，當夜晚降臨或光源不足時（一般在1LUX～3LUX）即利用數字電路將彩色信號消除掉，成為黑白圖像，且為了搭配紅外線，亦拿掉了彩色攝像機不可缺的紅外線濾除器，此種作法雖可在夜晚達到“低照度”的目的，白天卻有圖像模糊，色彩不自然的缺點，並且攝像機的攝像距離會受到紅外燈照射距離的限制。然而，COLOR/MONO攝像機是否屬於“低照度”攝像機，仍相當具爭議性，專家指出真正的“低照度攝像機”應指攝像機本身（所採用的元件、技術）可達到的功能，而白天彩色/晚上黑白的攝像機因受限於CCD靈敏度，本身並無法改變，只是利用線路切換及搭配紅外光的方式將功能提升，不能算是低照度攝像機。

2.低速快門（SLOW/SHUTTER）

此類攝像機又稱為（畫面）累積型攝像機，是利用電腦記憶體的技術，連續將幾個因光線不足而較顯模糊的畫面累積起來，成為一個圖像清晰的畫面，運用SLOW SHUTTER技術降低攝像機照度至0.008LUX/F1.2（×128），並且畫面能夠累積的幀數 （128幀）是屬於甚至包括進口品牌再內的領先水平。此類型低照度攝像機適用於禁止紅、紫外線破壞的博物館，夜間生物活動觀察，夜間軍事海岸線監視等，屬性較靜態場所的監視。此類型的低照度攝像機，大多數為進口品牌價格昂貴，且累積幀數少（32幀）。

3.超感度攝像機（EXVIEW/HAD）

超感度攝像機（EXVIEW/HAD），又稱24小時攝像機，為98年全世界最熱門的機種，其彩色照度可達0.05LUX，黑白則可達0.003-0.001LUX（亦可搭配紅外線以達 0LUX）不僅能清晰的辯識圖像，更是實時連續的畫面。 此類型攝像機主要是採用SONY元件廠於97年所推出的EXVIEW/HAD/CCD（超感 CCD），其運用專利技術將CCD每一像素的開口率提高，進而達到更低照度的要求. 這一技術的出現受到了監控市場的歡迎，對各種光照環境下均可表現出最佳的效果.特別是配合專用的紅外照明設備，可以得到高清晰度的黑白圖像，實現0照度的監控（完全無光的情況下）。在近紅外760mm-1100mm的近紅外區域，如果配合合適波長的紅外照明，就可以實現清晰的黑白圖像。

三星TECHWIN公司(原三星航空，國內稱為三星光電子)依靠在行業30年的生產經驗，在技術的不斷創新和為顧客提供高質量的安防產品上，總是走在前端。其產品系列SHC-740，SHC-740，SHC-721，SDZ-330，SPD-3300等全部採用128倍幀累積技術，清晰度高達520TVL以上，信噪比達50db以上，具有日夜轉換功能。特別是SHC-740(圖1)，採用了EX-VIEW HAD CCD，使用Samsung SVⅢ DSP芯片，在低照度技術，高清晰度有了新的突破(高達540TVL)，使攝像機在幾乎全黑的條件下也可以得到優質的畫面，其最低照度彩色模式為0.01LUX@F1.2,黑白模式為0.003lux@F1.2? sens-up模式為0.0003 LUX@F1.2，廣泛應用於國防邊境，軍隊，高速公路

在一些明暗反差過大的場合，一般的攝像機由於CCD的感光特性所限制，攝取的圖像往往出現背景過亮或前景太暗的情況。針對這種情況，寬動態技術應運而生，較好地解決了這一問題。而在此之前，傳統的攝像機一般會採取背光補償功能來適應光線反差大的場合。

常規攝像機視場中的物體在亮度較高的背景光時，需要看門口或窗外的物體，通常採用中央背光補償(BLC)模式，它主要是靠提升視場中央部分的亮度、降低視場四周部分的亮度來達到看清位於中央位置內物體的目的。

背光補償，也稱為逆光補償，是把畫面分成幾個不同的區域，每個區域分別曝光。在某些應用場合，視場中可能包含一個很亮的區域，而被包含的主體則處於亮場的包圍之中，畫面一片昏暗，無層次。此時由於AGC檢測到的信號電平並不低，因此放大器的增益很低，不能改進畫面主體的明暗度，當引入逆光補償時，攝像機僅對整個視場的一個子區域進行檢測，通過求此區域的平均信號電平來確定AGC電路的工作點。由於子區域的平均電平很低，AGC放大器會有較高的增益，使輸出信號的幅值提高，從而使監視器上的主體畫明朗，大大降低背景畫面與主體畫面的主觀亮度差，整個視場的可視性得到改善.逆光補償雖然改善了拍攝主體的亮度，但是圖像質量或多或少會劣化下降。

而寬動態這一技術是同一時間曝光兩次，一次快，一次慢，再進行合成使得能夠同時看清畫面上亮與暗的物體。雖然二者都是為了克服在強背光環境條件下，看清目標而採取的措施，但背光補償是以犧牲畫面的對比度為代價的，所以從某種意義上説，寬動態技術是背光補償的升級。

三星TECHWIN(三星光電子)由於企業背景的原因，在國家軍工方面有着豐富的經驗，產品更偏重於工業用品，耐用性和穩定性。並且具有多年來積累的光學和半導體技術經驗。在內置專業半導體芯片的安防監控攝像機和嵌入式硬盤錄像機等產品上有着良好的表現。其獨立研發的第三代超級圖像技術SVⅢ(圖5),配置了雙速掃描CCD，能夠拍攝出具有寬動態效果的圖像。並且使用了兩個12位數字輸入端，使SVⅢ擁有超過80db的寬動態範圍，大量的數字信息經過23位的數據總線傳輸到DSP後，DSP進行內部處理，確保了沒有數據丟失。然後寬動態範圍通過非線性的適應性WDR壓縮算法壓縮成10位輸出。

採用了適應性抗馬賽克色彩再生算法，彩色達到540線，黑白570線。

強大的靈敏度增強技術，提供動態的3D過濾後的圖像，優化了信噪比。並且在保持全實時效果的低照度條件下，增強可見度。

採用了高級的局部區域強化對比技術，即使在較差的照度條件下也能得到理想的對比度。

採用獨特的色彩控制算法可以擴大白平衡使用範圍，即可以在很寬的色温範圍內，將顏色準確真實的再現。這也意味着在很低照度條件下也能支持使用彩色模式並且很好的進行白平衡。

低照度、 寬動態攝像機用於道路監控的重點是高速公路收費監控系統,主要是對收費站的車道、收費廣場、收費亭的收費情況，對收費車道通過的車輛類型、收費員的操作過程以及收費過程中的突發事件和特殊事件進行觀察和記錄，實施有效的監督。。尤其是在晚上，收費站工作人員需要看清車牌，而一般情況下，車燈打開後，路上的環境照度與車牌的照度形成了一定的動態範圍，傳統攝像機難以“看清”，所以對低照度、寬動態攝像機有了需求。

其次是電子警察系統，過閉路電視監控和衝紅燈自動攝錄等手段，提高指揮中心的直觀性、實時調動能力和對交通事故、意外事件的響應能力，以及增強查處違章的客觀性，並對控制區域進行全面協調控制，提高車輛的通行能力。由於需要看清車牌，24小時監控，所以對低照度，寬動態攝像機有需求。

另外城市商業街中也有一定的應用，用以掌握一些繁華路口的交通情況，路段周圍車輛的運行情況和，行人的流量情況和交通治安情況等問題。

CCD+DSP技術：

DSP芯片是一種特殊的微處理器，根據數字信號處理理論的數學模型和算法，設計出專門的數字信號微處理器芯片。計算程序全部“硬化”，數字濾波器所需要的其他設備也全部集成、硬化，比如加法器、存儲器、控制器、輸入/輸出接口，甚至其他類型的外部設備等。許多在模擬信號處理器中無法進行的工作，都可以在數字處理中進行，如二維數字濾波、數字動態圖像檢測、數字背景光補償、膚色輪廓校正、細節補償頻率調節、準確的彩色矩陣、精確的校正、自動聚焦等。

超級寬動態技術常使用雙速CCD配合DSP的處理方式。這種雙曝光(或雙快門)技術的核心是針對明暗反差較大的場景，攝像機先對明亮區域進行一次快速曝光，得到一幅亮部區域清晰正常的圖像並存儲到數據緩衝存儲器中;然後再對場景中暗部區域進行一次慢速曝光，得到一幅暗部區域畫面清晰的圖像也存儲到數據緩衝存儲器中。以上曝光完畢後，利用DSP特有的圖像處理算法，將兩幅圖像當中亮度適當的部分分別切割下來，最後進行疊加合成並輸出一幅明暗區域都清晰可見的圖像。這樣就能避免亮部曝光過度和暗部曝光不足的問題，從而使整個畫面都清晰可見，以實現寬動態的處理效果。但如果採用不同DSP 芯片，在具體細節上還是有明顯差別，比如對靈敏度、色還原度、白平衡等的處理。

CMOS+DPS技術

美國Pixim公司在斯坦福大學20世紀90年代技術發展基礎上研發了一種基於CMOS技術的新型的圖像拾取系統——DPS(數字像素處理系統)，此係統可以通過其超強的寬動態功能來獲得高質量的圖片。寬動態功能劃時代地提升了一幅圖像中亮和暗區域的影像拍攝效果，可以達到比CCD更真實、更清晰的圖像。在寬動態處理上，DPS採用的是每一個像素單獨曝光和ARM7控制技術，相比於CCD的兩次曝光成像有了更高的動態範圍。從數值上來説，採用DPS技術的CMOS攝像機就目前的處理技術，其動態範圍即可到達95dB，甚至可至120dB。在擴大動態範圍的同時，DPS也解決了CCD傳感器在處理動態範圍和色彩真實性上的不足，其色彩還原性更加真實，能夠滿足應用的要求。使用這種技術的攝像機在數字圖像傳感器裏每一個像素中都使用了一個模擬數字轉換器(ADC)，在捕捉到光信號時直接轉化為數字信號，最大程度地降低了信號在排列中的衰減和干擾。

隨着社會對交通安全防範意識的日益加重，道路基礎建設必須配合道路監控系統的建設，這無疑預示着交通監控行業潛藏着巨大大商機。而具有低照度，寬動態的攝像機必然有廣闊的空間。Technology,Winner in Digital World ，三星TECHWIN願憑着優質的產品和服務為中國的智能交通事業貢獻出自己的一片力量。

寬動態範圍是圖像能分辨最亮的亮度信號值與能分辨的最暗的亮光信號值的比值。

寬動態的表現方式以“倍數”或“dB”來表示，在以100IRE為標準時，換算公式：N dB=20log（V2/V1）。普通攝像機（稱V1）的寬動態值為10dB ,如寬動態為48 dB ，與普通攝像機之間的差為38 dB，V2/V1=80，説明與普通攝像機寬動態差為80倍，松下第三代寬動態攝像機是54 dB，V2/V1=160倍。池上ISD-A10攝像機典型動態範圍95 dB，V2/V1=17782倍，最大寬動態範圍120dB，V2/V1=316227倍。從“倍數”上看，採用Pixim DPS技術的攝像機，寬動態範圍要比CCD寬動態範圍有極大的提高。