細(xì)說(shuō)安防寬動(dòng)態(tài):背光補(bǔ)償與二次曝光

在安防監(jiān)控應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場(chǎng)景，例如對(duì)準(zhǔn)大門(mén)或窗戶(hù)拍攝；由于整個(gè)圖像中明亮的區(qū)域曝光過(guò)度，較暗的區(qū)域欠曝光，從而不能看清楚圖像最亮與最暗部分，即高亮的部分成像為白色，暗部呈現(xiàn)為黑色。早期采用背光補(bǔ)償技術(shù)，或干脆放置兩臺(tái)攝像機(jī)來(lái)適應(yīng)較大的光線反差，但效果不是非常理想，因此誕生了寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，較好地解決了這一問(wèn)題。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的CCD和CMOS圖像傳感器來(lái)說(shuō)，所有感光單元的曝光(收集光子)時(shí)間都是相同的；在相同的時(shí)間內(nèi)，感光單元對(duì)畫(huà)面明亮部分收集的光子較多，對(duì)陰暗部分收集的光子則較少。但是，感光單元能夠收集的光子數(shù)量還受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調(diào)的感光單元有可能會(huì)溢出或飽和；為防止出現(xiàn)這種情況，可以減少曝光時(shí)間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調(diào)的感光單元可能又無(wú)法收集到足夠多的光，無(wú)法成像。

即對(duì)于典型的單次曝光的圖像傳感器來(lái)說(shuō)，如果曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則明亮部分的像素將出現(xiàn)溢出，呈現(xiàn)白色；而如果降低曝光時(shí)間，則較暗部分的像素將由于沒(méi)有足夠的光，呈現(xiàn)黑色。

所以攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)(WDR，WideDynamicRange)能力對(duì)于視頻監(jiān)控來(lái)說(shuō)是非常重要的指標(biāo)之一。攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大，則視頻監(jiān)控畫(huà)面所呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)就更豐富，色彩空間更廣，逆光拍攝的能力就越強(qiáng)。

寬動(dòng)態(tài)能力一般用“動(dòng)態(tài)范圍”來(lái)表述，即亮度變化值的最低端極點(diǎn)到最高端極點(diǎn)之間的區(qū)域。在量化描述上，通常采用視頻幀中可識(shí)別的最亮亮度信號(hào)值與最暗亮度信號(hào)值的比值(×倍)；可按照換算公式：NdB=20log(亮度比值)將上述比值以分貝(dB)標(biāo)示。

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)

背光/逆光補(bǔ)償

背光補(bǔ)償，也稱(chēng)為逆光補(bǔ)償，是早期應(yīng)對(duì)強(qiáng)光或強(qiáng)逆光視頻監(jiān)控環(huán)境的方法，它的原理是：

在強(qiáng)光或強(qiáng)逆光等環(huán)境下，由于視場(chǎng)中包含一個(gè)很亮的區(qū)域，導(dǎo)致AGC檢測(cè)到的信號(hào)電平并不低，因此放大器的增益很低，此時(shí)畫(huà)面中希望拍攝的目標(biāo)成像昏暗，無(wú)層次。背光補(bǔ)償技術(shù)是把畫(huà)面分成幾個(gè)不同的區(qū)域，攝像機(jī)根據(jù)各個(gè)區(qū)域的平均信號(hào)電平來(lái)確定AGC電路增益；背光補(bǔ)償技術(shù)提高AGC放大器的增益，使輸出信號(hào)的幅值提高，從而使被拍攝目標(biāo)的亮度提升，監(jiān)控畫(huà)面的可視性得到改善。

由于逆光補(bǔ)償只是簡(jiǎn)單提升了拍攝目標(biāo)的亮度，沒(méi)有實(shí)際拓展動(dòng)態(tài)范圍，所以改善效果有限；對(duì)亮區(qū)很容易過(guò)曝，整體圖像質(zhì)量和色彩還原等都會(huì)有一定的下降。

二次/多次曝光技術(shù)

傳統(tǒng)的CCD/CMOS圖像傳感器在采集一幅圖像的過(guò)程中只對(duì)整個(gè)圖像采樣一次，這樣圖像中超出動(dòng)態(tài)范圍之外的明亮、較暗區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)過(guò)度曝光，欠曝光的現(xiàn)象。

二次/多次曝光技術(shù)中圖像傳感器對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行二次或多次曝光，每次曝光的時(shí)間長(zhǎng)度不同；然后用圖像合成算法對(duì)不同曝光的畫(huà)面進(jìn)行處理和重新組合，這樣就能同時(shí)兼顧畫(huà)面中明亮、較暗區(qū)域，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚；該功能在圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍性能沒(méi)有提升的情況下，將攝像機(jī)的有效動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行了擴(kuò)展。

由于CCD圖像傳感器讀取速度的限制，即使采用二次曝光取樣方式，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)范圍最大只能到72dB。而當(dāng)前采用CMOS圖像傳感器的攝像機(jī)采用二次曝光技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到90dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

但二次/多次曝光技術(shù)也有其明顯的局限性——?jiǎng)討B(tài)物體拍攝。以二次曝光為例，對(duì)于在畫(huà)面中以較高速度運(yùn)動(dòng)的物體，短曝光和長(zhǎng)曝光拍攝到的物**于畫(huà)面的不同位置，算法如何將不同位置的物體整合為一個(gè)成為難題。所以，采用多次曝光技術(shù)的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)一般只能用于目標(biāo)對(duì)象運(yùn)動(dòng)速度較慢的監(jiān)控場(chǎng)景中；如果畫(huà)面中有較快運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，則會(huì)因出現(xiàn)鬼影等問(wèn)題導(dǎo)致場(chǎng)景嚴(yán)重失真。