寬動態

寬動態技術是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色而運用的一種技術。

當在強光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區域及陰影、逆光等相對亮度較低的區域在圖像中同時存在時，攝像機輸出的圖像會出現明亮區域因曝光過度成為白色，而黑暗區域因曝光不足成為黑色，嚴重影響圖像質量。攝像機在同一場景中對最亮區域及較暗區域的表現是存在局限的，這種局限就是通常所講的“動態範圍”。

基本介紹

• 中文名：寬動態
• 特點：動態範圍
• 套用：攝像機
• 歷史：30多年

基本概念

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。這是一個套用非常廣泛的概念，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）及色溫（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到星光夜裡的0.00035Lux。當攝像機從室內看窗戶外面，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秒取得室外影像完美的曝光，但是室內的影像會被清除（全黑）。這是一個自從攝像機被發明以來就一直長期存在的缺陷。

現代化的交通需要現代化的交通管理，為解決城市主要路段和路口的交通擁擠和阻塞狀況，減少事故、違章現象，建立現代化的智慧型交通指揮控制系統是非常必要的。同時，對於提高城市形象，促進城市的文明和發展也有著非常重要的意義。系統設計的總體目標是：利用道路監控實施交通流量和交通運行監視，對關鍵路段實施交通實時控制，及時發現各種異常並採取應急措施，保證道路高速、安全、有效地運行，提高現代生活的交通水平。根據交通監控的實際需要，一般都會在交通路口、車站、商業區、高速公路收費口等重點部位安裝可控攝像機或固定攝像機.本文在分析了道路監控的特殊需求後，主要針對道路監控攝像機的選型設計提出了一些建議。

選購道路監控攝像機的關注點

在視頻控制系統中，無論從系統前端圖象的攝取抑或到後端圖象信號的記錄與顯示與控制，系統設備性能的好壞是鑑定系統運作成功與否的關鍵因素。毫無疑問，設備選型的好壞直接影響到系統的穩定可靠性、圖象質量、系統使用壽命等有關建設方投資利益問題。因而系統設備選型是貫穿整個設計過程的重要環節。

道路監控系統攝像機需求分析.

對圖像的清晰度和實時性有很高的要求,要求能看清車牌，若車牌號碼不能被清晰地確認出來，則監控抓拍就毫無意義了。 由於道路監控需要24小時工作，需要在極暗的條件下也可以得到優質的畫面。 室外道路的光線的動態範圍變化較大，夏日陽光下環境照度達50000Lx－100000Lx；夜間路燈時僅為0.1Lux，變化幅度相當大。在這種情況下攝像機無論是否具有自動調整靈敏度功能即通過攝像機本身的電子快門已不可能適應這么寬的照度範圍，也就無法達到控制圖像效果的作用。因此必須要求攝像機具有很寬的動態範圍。 在照度不好的條件下拍攝時，拍攝的動態圖像不可避免的會有噪點干擾，所有要求寬動態攝像機有傑出的動態圖像噪點消除功能，能夠消除圖像陰影和拖尾現象。

道路監控攝像機選型依據

寬動態攝像機性能中最核心的IC電路是CCD感測器晶片，工作原理是由CCD光學鏡頭將目標景象成像在CCD感測器上，感測器為高感度CCD，然後以每秒50場25幀（CCIR制式25Frame/s;NTSC制式30 Frame/s）圖像的速度將CCD輸出的信號經CDS相關採樣保持電路、AGC及A/D轉換電路處理後，輸入到存儲器中，再利用高速運算晶片和數據處理功能將存儲器中已存入的影像以逐行掃描方式逐行讀出，形成全視頻信號。因此攝像機輸出信號的質量除了選擇性能上佳的CCD感測器外，數據處理晶片/處理電路也是重要的環節。

在總結多年的實踐經驗後，道路交通監控的設備集成和工程商都選用下述要求的攝像機：

具備高線數（500－540電視線）的工業標準攝像機。 低照度(≤0.1lux)，最低照度達到0.01lux，在黑夜光照度較低的情況下，也能夠獲得清晰的圖像效果。 採用超感度，大尺寸CCD（一般是1/2英寸CCD）。由於1/2"攝像機標靶尺寸比1/3"攝像機的標靶尺寸大，因此成像效果更為優良。（成像面積較大；光通量較大，光照度要求低。） 具有超寬動態拍攝功能,能在高反差以及照明突變的情況下，快速、精確的進行回響，從而獲取高質量的、充分曝光的影像畫面。 具有超級降噪技術，能夠消除動態圖像噪點，圖像陰影和拖尾現象。特別是在解決由車頭燈造成的路面交通監控或停車場監控問題時，低拖尾度尤其重要。 高信噪比, 白平衡自動調整等功能的快速(快門速度不能慢於1/1000秒)攝像機。 採用工業級器件，具有良好的全天候工作能力，長期運行穩定可靠。 本文擬對以下幾個重點參數作說明。

1/2 EXVIEW HAD ?CCD

ccd產品問世已有30多年，從20萬像素髮展到500—800萬像素，無論其市場規模還是其套用面，都得到了巨大的發展，可以說是在平穩中逐步提高，特別是近幾年來，在消費領域中的套用發展速度更快。

ccd組件，每一個像素的面積和開發初期比較起來，己縮小到1/10以下。今後在套用產品趨向小型化，高像素的要求下，單位面積將會更加的縮小。在小型化的同時，利用各種新開發的技術，使其感光度不會因為單位面積縮小而受到影響，也同時要求其性能維持或向上提升。

以下是索尼公司按年代劃分而發展的ccd感測器簡介：

1、had感測器

had（hole-accumulation diode）感測器是在n型基板，p型，n+2極體的表面上，加上正孔蓄積層，這是sony獨特的構造。由於設計了這層正孔蓄積層，可以使感測器表面常有的暗電流問題獲得解決。另外，在n型基板上設計電子可通過的垂直型隧道，使得開口率提高，換句換說，也提高了感度。在80年代初期，索尼將其領先使用在可變速電子快門產品中，在拍攝移動快速的物體也可獲得清晰的圖象。

2、on-chip micro lens

80年代後期，因為ccd中每一像素的縮小，將使得受光面積減少，感度也將變低。為改善這個問題，索尼在每一感光二極體前裝上微小鏡片，使用微小鏡片後，感光面積不再因為感測器的開口面積而決定，而是以微小鏡片的表面積來決定。所以在規格上提高了開口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、super had ccd

進入90年代後期以來，ccd的單位面積也越來越小，1989年開發的微小鏡片技術，已經無法再提升感亮度，如果將ccd組件內部放大器的放大倍率提升，將會使雜訊也被提高，畫質會受到明顯的影響。索尼在ccd技術的研發上又更進一步，將以前使用微小鏡片的技術改良，提升光利用率，開發將鏡片的形狀最最佳化技術，即索尼 super had ccd技術。基本上是以提升光利用效率來提升感亮度的設計，這也為ccd基本技術奠定了基礎。

4、new structure ccd

在攝影機的光學鏡頭的光圈F值不斷的提升下，進入到攝影機內的斜光就越來越多，使得入射到ccd組件的光無法百分之百的被聚焦到感測器上，而ccd感測器的感度將會降低。1998年索尼公司為改善這個問題，將彩色濾光片和遮光膜之間再加上一層內部的鏡片。加上這層鏡片後可以改善內部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同時將矽基板和電極間的絕緣層薄膜化，讓會造成垂直ccd畫面雜訊的訊號不會進入，使smear特性改善。

5、exview had ccd

比可視光波長更長的紅外線光，也可以在半導體矽晶片內做光電變換。可是至當前為止，ccd無法將這些光電變換後的電荷，以有效的方法收集到感測器內。為此，索尼在1998年新開發的“exview had ccd”技術就可以將以前未能有效利用的近紅外線光，有效轉換成為映像資料而用。使得可視光範圍擴充到紅外線，讓感亮度能大幅提高。利用“exview had ccd”組件時，在黑暗的環境下也可得到高亮度的照片。而且之前在矽晶板深層中做的光電變換時，會漏出到垂直ccd部分的smear成分，也可被收集到感測器內，所以影響畫質的雜訊也會大幅降低。

最低照度

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溫度（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布在一半球面上，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，說明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著較大的關係，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：

參照環境	大概照度	參照環境	大概照度
夏日陽光下	100000lux	室內日光燈	100lux
陰天室外	10000lux	黃昏室內	10lux
電視台演播室	1000lux	20cm處燭光	10-15lux
距60w檯燈60cm桌面	300lux	夜間路燈	0.1lux

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群，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晶片，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[email protected],黑白模式為[email protected]? sens-up模式為0.0003 [email protected]，廣泛套用於國防邊境，軍隊，高速公路

寬動態

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。在某些套用場合，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，所以從某種意義上說，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，在國家軍工方面有著豐富的經驗，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。在內置專業半導體晶片的安防監控攝像機和嵌入式硬碟錄像機等產品上有著良好的表現。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位的數據匯流排傳輸到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，最佳化了信噪比。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，即可以在很寬的色溫範圍內，將顏色準確真實的再現。這也意味著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。

典型套用

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，過閉路電視監控和沖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、意外事件的回響能力，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套用，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。

實現方式

CCD+DSP技術：

DSP晶片是一種特殊的微處理器，根據數位訊號處理理論的數學模型和算法，設計出專門的數位訊號微處理器晶片。計算程式全部“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 晶片，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公司在史丹福大學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)，此系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。從數值上來說，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感測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，能夠滿足套用的要求。使用這種技術的攝像機在數字圖像感測器里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位訊號，最大程度地降低了信號在排列中的衰減和干擾。

結束語

隨著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，這無疑預示著交通監控行業潛藏著巨大大商機。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願憑著優質的產品和一流服務為中國的智慧型交通事業貢獻出自己的一片力量。

技術知識

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，說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。