在技術(shù)發(fā)展和用戶的需求的催生下，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)孕育而生，經(jīng)歷了三代技術(shù)的升級(jí)，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)給社會(huì)帶來(lái)的好處不言而喻，正所謂金無(wú)足赤，人無(wú)完人，所以我們應(yīng)該正確認(rèn)識(shí)這一技術(shù)的發(fā)展，接下來(lái)跟大家一起分享一下寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的現(xiàn)狀。

一、寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的技術(shù)、功能介紹

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是在非常強(qiáng)烈的對(duì)比下讓攝像機(jī)看到影像的特色而運(yùn)用的一種技術(shù)。

當(dāng)在強(qiáng)光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過(guò)度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。攝像機(jī)在同一場(chǎng)景中對(duì)最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的，這種局限就是通常所講的“動(dòng)態(tài)范圍”。

廣義上的“動(dòng)態(tài)范圍”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(diǎn)到最高端極點(diǎn)之間的區(qū)域，此區(qū)域的描述一般為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的差值。這是一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的概念，在談及攝像機(jī)產(chǎn)品的拍攝圖像指標(biāo)時(shí)，一般的“動(dòng)態(tài)范圍”是指攝像機(jī)對(duì)拍攝場(chǎng)景中景物光照反射的適應(yīng)能力，具體指亮度（反差）及色溫（反差）的變化范圍。

寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)比傳統(tǒng)只具有3：1動(dòng)態(tài)范圍的攝像機(jī)超出了幾十倍。自然光線排列成從120，000Lux到星光夜里的0.00035Lux。當(dāng)攝像機(jī)從室內(nèi)看窗戶外面，室內(nèi)照度為100Lux，而外面風(fēng)景的照度可能是10，000Lux，對(duì)比就是10，000/100=100：1。這個(gè)對(duì)比使人眼能很容易地看到，因?yàn)槿搜勰芴幚?000：1的對(duì)比度。然而以傳統(tǒng)的閉路監(jiān)控?cái)z像機(jī)處理它會(huì)有很大的問(wèn)題，傳統(tǒng)攝像機(jī)只有3：1的對(duì)比性能，它只能選擇使用1/60秒的電子快門(mén)來(lái)取得室內(nèi)目標(biāo)的正確曝光，但是室外的影像會(huì)被清除掉（全白）；或者換種方法，攝像機(jī)選擇1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室內(nèi)的影像會(huì)被清除（全黑）。這是一個(gè)自從攝像機(jī)被發(fā)明以來(lái)就一直長(zhǎng)期存在的缺陷。

寬動(dòng)態(tài)是一項(xiàng)很實(shí)用的技術(shù)，拉近了攝像機(jī)與人眼的距離（讓攝像機(jī)對(duì)畫(huà)面的處理和顯示更加貼近人眼的識(shí)別程度），讓用戶有了一種更人性化的體驗(yàn)。因?yàn)榻?jīng)過(guò)幾萬(wàn)年的進(jìn)化，人眼的寬動(dòng)態(tài)性能超強(qiáng)，對(duì)于實(shí)際場(chǎng)景中和各種光線下的區(qū)域，如較暗的區(qū)域和較亮的區(qū)域都能同時(shí)看清。而對(duì)于傳統(tǒng)的攝像機(jī)、鏡頭來(lái)說(shuō)確是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在一幅畫(huà)面中，如果有較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域同時(shí)存在，比如銀行的大廳，有很大的窗戶，在窗外的光線很強(qiáng)的情況下，就會(huì)造成明暗對(duì)比差異很大的場(chǎng)景，這對(duì)于普通的攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，要看清亮的部分，則暗的區(qū)域就是全黑的，而要看清暗的區(qū)域，則亮的區(qū)域就過(guò)爆，也是一片白，什么都看不見(jiàn)。海康威視產(chǎn)品總監(jiān)應(yīng)群表示，運(yùn)用了寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)后，就能達(dá)到很好的效果，即能同時(shí)兼顧到明亮和昏暗的區(qū)域，都可以看清；這樣的功能對(duì)于銀行、出入口等很多實(shí)際場(chǎng)景的監(jiān)控都有非常直接的幫助，能達(dá)到監(jiān)控的實(shí)際要求。

目前海康威視已經(jīng)推出了基于SONY最新超寬動(dòng)態(tài)CCDSensor的系列攝像機(jī)，能達(dá)到160X的寬動(dòng)態(tài)效果，在亮暗對(duì)比強(qiáng)烈的場(chǎng)景下都能達(dá)到很好的監(jiān)看效果，滿足了實(shí)際使用環(huán)境的要求。

二、CCD、CMOS攝像機(jī)拓展寬動(dòng)態(tài)范圍的方法

目前，CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法有輸出信號(hào)伽馬修正方法、對(duì)數(shù)壓縮放大方法、單幀圖像兩次取樣方法、單幀圖像多次取樣方法四種。在安防監(jiān)控領(lǐng)域中，一般多采用單幀圖像兩次或五次取樣方法，尤其多用兩次曝光取樣的方法。下面介紹一下這種曝光取樣方法的原理。

所謂“單幀圖像兩次取樣方法”或說(shuō)“兩次合成電子快門(mén)”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的兩次取樣曝光機(jī)圖像分割合成技術(shù)。其工作過(guò)程如下：

首先利用成像器件CCD對(duì)較暗的景物取得爭(zhēng)取的曝光（如用1/50s快門(mén)），將得到第一幀圖像存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中。

其次，利用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP對(duì)送來(lái)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖像中較暗的部分曝光正常，而有部分曝光過(guò)度的區(qū)域（即高亮度區(qū)域），就要對(duì)其進(jìn)行亮度評(píng)估。

第三，根據(jù)亮度評(píng)估結(jié)果，再采用高速快門(mén)進(jìn)行曝光（如1/2000s快門(mén)），并將第2次拍攝的圖像也存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器中，如此即同時(shí)取得兩張明暗兩區(qū)均為正確的影像。

最后，再利用高速DSP并通過(guò)其中嵌入的特有的圖像處理方法，將兩影像在DPS中高速運(yùn)算相加，即可兩幅圖像中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來(lái)，然后在一幀新的圖像中合成起來(lái)，就可以標(biāo)準(zhǔn)制式實(shí)時(shí)輸出亮暗動(dòng)態(tài)范圍很寬的圖像，例如：室內(nèi)人物照度為10Lux，而室外景物為1000Lux，此時(shí)CCD攝像機(jī)可采用1/60秒的速度對(duì)室內(nèi)景物取得正確曝光，再用1/6000秒對(duì)室外的景物取得正確的曝光，然后將兩張圖像結(jié)合即成為比較完美的圖像。

但是，一般CCD攝像機(jī)并不具有這種雙曝光的功能，這是因?yàn)橐话愕耐ㄓ秒娐沸酒荒軐?shí)現(xiàn)這樣高速運(yùn)算，而高速DSP，就具有200K個(gè)高速運(yùn)算門(mén)電路的運(yùn)算速度，同事解決了雙曝光的兩圖像的分別記憶儲(chǔ)存，緊接著即可合成計(jì)算的功能，合成處理后再按標(biāo)準(zhǔn)制式實(shí)時(shí)輸出視頻圖像信號(hào)。

顯然，如果再根據(jù)圖像的最暗區(qū)域至最亮區(qū)域的中間過(guò)度范圍的整體評(píng)估，再對(duì)圖像進(jìn)行三次中間層次的曝光，這樣就得到三幀針對(duì)過(guò)度范圍內(nèi)亮度不同的曝光圖像。然后通過(guò)特有的圖像識(shí)別算法，將上述5幅圖像當(dāng)中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來(lái)，再在一幀新的圖像中合成起來(lái)，就會(huì)完成并最終輸出比僅有2次曝光取樣更加滿意的圖像。

盡管款動(dòng)態(tài)CCD攝像機(jī)與傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)相比，在技術(shù)上有了一次突破，現(xiàn)在已發(fā)展到第三代CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，寬動(dòng)態(tài)范圍也達(dá)到了160倍，或說(shuō)54db。而采用五次采樣方式，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍最多也只能達(dá)到66db。而現(xiàn)在已推出的CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，其寬動(dòng)態(tài)范圍已能達(dá)到120db。

SMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的方法有：雙斜率輸出模式、對(duì)數(shù)輸出模式、伽馬校正輸出模式、線性-對(duì)數(shù)輸出模式與CMOS-DSP數(shù)字像素式等。下面就簡(jiǎn)要的介紹一下CMOS-DSP數(shù)字像素式的CMOS攝像機(jī)擴(kuò)展范圍的原理。

三、CMOS-DSP是繼CMOS-PPS與CMOS-APS之后的第三代CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。

所謂DSP，即數(shù)字像素系統(tǒng)，CMOS-DPS攝像機(jī)就是數(shù)字像素系統(tǒng)的攝像機(jī)。傳統(tǒng)的CCD和CMOS攝像機(jī)傳感器都是為每一列或每一行像素點(diǎn)配備一個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器（A/D），每個(gè)像素點(diǎn)的輸出都是模擬光信號(hào)，存在著噪聲大和輸出時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。而DSP是在圖像傳感器的每一個(gè)像素點(diǎn)上包含了一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，即在CMOS攝像機(jī)圖像傳感器上的有源像素捕捉到光信號(hào)時(shí)，直接將其放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而可將陣列上的信號(hào)退化和串?dāng)_降到最小，并允許采用更好的降噪辦法，一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字格式捕獲，就可以采用各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)真正重現(xiàn)圖像。顯然，DSP技術(shù)中的圖像傳感器和圖像處理器是全數(shù)字式的，并采用32位ARMCPU精確控制每個(gè)像素，使每個(gè)像素獨(dú)立完成采樣和曝光，并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，是目前市面上唯一的，真正的全數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。

四、寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)能否智勇雙全

對(duì)于攝像機(jī)，如果把其靈敏度看作“勇”，寬動(dòng)態(tài)能力看作“智”的話，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)能做到智勇雙全嗎？

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了普通攝像機(jī)在光線明暗交差成像的缺點(diǎn)，但是同時(shí)也出現(xiàn)了相應(yīng)的不足，畢竟寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是針對(duì)專一環(huán)境的專用功能。往往是動(dòng)態(tài)范圍大的攝像機(jī)，其靈敏度低，高靈敏度的攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)小，也就是說(shuō)目前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時(shí)完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下的實(shí)用狀況并不是那么理想，噪點(diǎn)過(guò)大。在夜間低照度的情況下，圖像會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似雪花點(diǎn)的現(xiàn)象，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)其它現(xiàn)象，如：剛裝上去調(diào)試好是正常的，過(guò)段時(shí)間之后畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)偏色。據(jù)了解，這個(gè)現(xiàn)象與環(huán)境的影響或攝像機(jī)本身設(shè)置有關(guān)，一般寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)出現(xiàn)偏色都與白平衡有關(guān)，如果原本在調(diào)試的時(shí)候設(shè)置為自動(dòng)跟蹤白平衡圖像就會(huì)隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生不同的白平衡效果，將白平衡模式調(diào)整為自動(dòng)白平衡即可解決。另外，在安裝的過(guò)程中安裝的位置對(duì)圖像亦有偏差的影響，應(yīng)盡量避免安裝在強(qiáng)光反射點(diǎn)的位置。

眾所周知，寬動(dòng)態(tài)打開(kāi)時(shí)，其它方面的指數(shù)就會(huì)有所降低，比如清晰度、靈敏度、色彩等等，畫(huà)面有可能會(huì)變得稍微模糊，色彩飽和度下降，畫(huà)面顯得較淡；在低照度環(huán)境中靈敏度下降等，此外還面臨與WD的平衡、同步提升的問(wèn)題。另外現(xiàn)在很多寬動(dòng)態(tài)功能范圍相差很大，低的有52db、54db，高的有75db、123db，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量。現(xiàn)在在行業(yè)內(nèi)也有機(jī)構(gòu)正在積極推進(jìn)此事，相信隨著規(guī)范的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之后，會(huì)對(duì)行業(yè)門(mén)內(nèi)寬動(dòng)態(tài)的指標(biāo)參數(shù)有更好的規(guī)范作用，避免混淆視聽(tīng)。

五、寬動(dòng)態(tài)為視頻智能分析奠定了強(qiáng)大的基礎(chǔ)

一種具有寬動(dòng)態(tài)范圍（WDR）特性的新式安保攝像機(jī)可以提高視頻圖像的精度，使傳輸給視頻分析的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，質(zhì)量更高。

WDR指攝像機(jī)能夠以最高的明暗比捕捉圖像。換句話說(shuō)，即使在高反差照明、強(qiáng)逆光、眩光、反光和其它無(wú)法控制或變化不定的照明條件下，WDR攝像機(jī)都可以同時(shí)捕捉一個(gè)場(chǎng)景中最亮和最暗區(qū)域的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確色彩。

WDR的衡量單位是分貝（dB）。一般而言，有效的視頻分析要求攝像機(jī)提供100分貝或更高的動(dòng)態(tài)范圍，從而使同一場(chǎng)景中不同照明區(qū)域能生成噪聲極低（高信噪比）、色彩準(zhǔn)確、圖像質(zhì)量?jī)?yōu)秀、細(xì)節(jié)突出的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

視頻分析算法必須不斷根據(jù)攝像機(jī)“看到”的東西進(jìn)行評(píng)估或做出最佳猜測(cè)，以區(qū)分前景和背景、靜止和移動(dòng)物體，以及視頻偽影或其它傳感器錯(cuò)誤和目標(biāo)敏感事件。

WDR攝像機(jī)能傳輸穩(wěn)定的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，優(yōu)化視頻應(yīng)用程序的算法，從而實(shí)現(xiàn)精確評(píng)估和識(shí)別。其生成的高質(zhì)量圖像在整個(gè)場(chǎng)景（亮區(qū)和陰影）中正確曝光，色彩逼真度高，特征表現(xiàn)銳利，細(xì)節(jié)突出，圖像偽影較少存在或不存在，視頻噪聲低。

除了圖像質(zhì)量和色彩還原以外，全數(shù)字WDR攝像機(jī)還能為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)視頻分析（即在攝像機(jī)中內(nèi)置分析功能）提供最佳數(shù)據(jù)。有了全數(shù)字WDR攝像機(jī)，無(wú)須再將數(shù)據(jù)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字；而且因?yàn)橐曨l分析是在現(xiàn)場(chǎng)完成，只有重要事件才會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而減少了流量和時(shí)間，并降低誤報(bào)率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。即使數(shù)據(jù)是先傳輸?shù)街醒敕?wù)器再作分析，WDR攝像機(jī)也能為分析提供最高質(zhì)量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以及降低存儲(chǔ)空間需求。

六、寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的重點(diǎn)應(yīng)用

在一些特定場(chǎng)合的特殊環(huán)境中，尤其在強(qiáng)光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過(guò)度顯現(xiàn)為白色，而晦暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，比如銀行出入口的安全玻璃自動(dòng)門(mén)等強(qiáng)逆光場(chǎng)所。

在白天室內(nèi)和室外光線反差大的情況下，普通攝像機(jī)拾取的圖像明亮部分和暗的部分不能像人類(lèi)眼睛那樣同時(shí)看清，會(huì)產(chǎn)生圖像大部分信息遺漏、畫(huà)質(zhì)劣化等現(xiàn)象，寬動(dòng)態(tài)功能就是針對(duì)金融道路交通監(jiān)控等行業(yè)的應(yīng)用而專門(mén)設(shè)計(jì)的。高品質(zhì)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)不僅可以幫助警方破獲犯罪案件，同時(shí)可以為發(fā)生的糾紛提供佐證。

銀行營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)一般都位于臨街路邊，大廳光線充足，用戶接待柜臺(tái)面向窗戶，顧客則背向窗戶。監(jiān)控?cái)z像機(jī)需要監(jiān)看和記錄的目標(biāo)是營(yíng)業(yè)員的工作過(guò)程、用戶的面部細(xì)節(jié)、大廳里人員活動(dòng)的細(xì)節(jié)、以及顧客從營(yíng)業(yè)廳外進(jìn)入營(yíng)業(yè)廳及從營(yíng)業(yè)廳里離開(kāi)到營(yíng)業(yè)外等全程。在這樣的環(huán)境中，光線明暗變化明顯，室內(nèi)外光線反差巨大，監(jiān)控?cái)z像機(jī)處于逆光拍攝，如采用普通攝像機(jī)是不能拍攝出明暗反差大的局部細(xì)節(jié)，監(jiān)控不到滿意的圖像。這種監(jiān)控環(huán)境下，需要的不是攝像機(jī)具有多低的照度指標(biāo)，而是需要攝像機(jī)具有很好的寬動(dòng)態(tài)性能、色彩還原性能和高清晰度。對(duì)于ATM機(jī)，很多安放在室外，它是24小時(shí)運(yùn)行的，用于ATM的攝像機(jī)不僅需要更好的寬動(dòng)態(tài)指標(biāo)還要有足夠的低照度指標(biāo)。所以，應(yīng)用于金融行業(yè)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，應(yīng)該選用寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。

目前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)用于道路交通監(jiān)控的重點(diǎn)是高速公路收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)，主要是對(duì)收費(fèi)站車(chē)道、收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)亭的收費(fèi)情況，對(duì)收費(fèi)車(chē)道通過(guò)的車(chē)輛類(lèi)型、收費(fèi)員的操作過(guò)程以及收費(fèi)過(guò)程中的突發(fā)事件進(jìn)行觀察和記錄。尤其在夜間，寬動(dòng)態(tài)功能就可以避免如汽車(chē)的尾燈和頭燈引起的光線拖尾現(xiàn)象，收費(fèi)站工作人員能看到車(chē)牌照，這是普通攝像機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的。

在電子警察系統(tǒng)中，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)和闖紅燈自動(dòng)攝錄等手段，提高指揮中心的直觀性、實(shí)時(shí)調(diào)動(dòng)能力和對(duì)交通事故、意外事件的響應(yīng)能力，以及增強(qiáng)查處違章的客觀性，并對(duì)控制區(qū)域進(jìn)行全面協(xié)調(diào)控制，提高車(chē)輛的通行能力。由于需要看清車(chē)牌，24小時(shí)監(jiān)控，所以有對(duì)低照度，寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的需求。

七、存在的問(wèn)題

PiximDPS技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑將給寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)活力，但真正能將該技術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致，還要看制造商的技術(shù)實(shí)力。目前全球領(lǐng)先的高質(zhì)量CCTV設(shè)備解決方案供應(yīng)商，如Pelco、Stanley、JVC、GE和Honeywell已經(jīng)成為Pixim的客戶，也就是采用基于Pixim的DPS技術(shù)開(kāi)發(fā)出了國(guó)際一流的超級(jí)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。

需要提出的是，雖然寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了普通攝像機(jī)在背光補(bǔ)償中的缺點(diǎn)，但也存在不足。動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度是兩個(gè)矛盾因素，通常動(dòng)態(tài)范圍大的攝像機(jī)其靈敏度較低，而高靈敏度的攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)較低。也就是說(shuō)目前寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時(shí)完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像，但在低照度情況下，使用狀況并不是太好。這也是目前各生產(chǎn)寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)廠家迫切要解決的技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，物體截面光的折射也會(huì)使寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)效果不是十分滿意。

隨著寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境的特別需求，攝像機(jī)制造商將為市場(chǎng)帶來(lái)更多更好的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)。