宽动态（摄像机看到影像的特色的技术）

宽动态（摄像机看到影像的特色的技术）

宽动态 （摄像机看到影像的特色的技术） 次浏览 | 2022.10.01 10:46:45 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 宽动态摄像机看到影像的特色的技术

宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。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成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。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局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。

中文名

宽动态

特点

“动态范围

应用

摄像机

历史

30多年

技术简介

宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。

基本概念

广义上的“动态范围”是指某一变化的事物可能改变的跨度，即其变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域，此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值。这是一个应用非常广泛的概念，在谈及摄像机产品的拍摄图像指标时，一般的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度（反差）及色温（反差）的变化范围。

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，而外面风景的照度可能是10,000Lux,对比就是10,000/100=100:1。这个对比使人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度。

然而以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。

现代化的交通需要现代化的交通管理，为解决城市主要路段和路口的交通拥挤和阻塞状况，减少事故、违章现象，建立现代化的智能交通指挥控制系统是非常必要的。同时，对于提高城市形象，促进城市的文明和发展也有着非常重要的意义。系统设计的总体目标是：利用道路监控实施交通流量和交通运行监视，对关键路段实施交通实时控制，及时发现各种异常并采取应急措施，保证道路高速、安全、有效地运行，提高现代生活的交通水平。

根据交通监控的实际需要，一般都会在交通路口、车站、商业区、高速公路收费口等重点部位安装可控摄像机或固定摄像机.本文在分析了道路监控的特殊需求后，主要针对道路监控摄像机的选型设计提出了一些建议。

选购道路监控摄像机的关注点

在视频控制系统中，无论从系统前端图象的摄取抑或到后端图象信号的记录与显示与控制，系统设备性能的好坏是鉴定系统运作成功与否的关键因素。毫无疑问，设备选型的好坏直接影响到系统的稳定可靠性、图象质量、系统使用寿命等有关建设方投资利益问题。因而系统设备选型是贯穿整个设计过程的重要环节。

道路监控系统摄像机需求分析.

对图像的清晰度和实时性有很高的要求,要求能看清车牌，若车牌号码不能被清晰地确认出来，则监控抓拍就毫无意义了。由于道路监控需要24小时工作，需要在极暗的条件下也可以得到优质的画面。室外道路的光线的动态范围变化较大，夏日阳光下环境照度达50000Lx－100000Lx；夜间路灯时仅为0.1Lux，变化幅度相当大。

在这种情况下摄像机无论是否具有自动调整灵敏度功能即通过摄像机本身的电子快门已不可能适应这么宽的照度范围，也就无法达到控制图像效果的作用。因此必须要求摄像机具有很宽的动态范围。在照度不好的条件下拍摄时，拍摄的动态图像不可避免的会有噪点干扰，所有要求宽动态摄像机有杰出的动态图像噪点消除功能，能够消除图像阴影和拖尾现象。

道路监控摄像机选型依据

宽动态摄像机性能中最核心的IC电路是CCD传感器芯片，工作原理是由CCD光学镜头将目标景象成像在CCD传感器上，传感器为高感度CCD，然后以每秒50场25帧（CCIR制式25Frame/s; NTSC制式30 Frame/s）图像的速度将CCD输出的信号经CDS相关 采样保持电路、AGC及 A/D转换电路处理后，输入到存储器中，再利用高速运算芯片和数据处理功能将存储器中已存入的影像以逐行扫描方式逐行读出，形成全视频信号。因此摄像机输出信号的质量除了选择性能上佳的CCD传感器外，数据处理芯片/处理电路也是重要的环节。

在总结多年的实践经验后，道路交通监控的设备集成和工程商都选用下述要求的摄像机：

具备高线数（500－540电视线）的工业标准摄像机。低照度(≤0.1lux)，最低照度达到0.01lux，在黑夜光照度较低的情况下，也能够获得清晰的图像效果。采用超感度，大尺寸CCD（一般是1/2英寸CCD）。由于1/2"摄像机标靶尺寸比1/3"摄像机的标靶尺寸大，因此成像效果更为优良。（成像面积较大；光通量较大，光照度要求低。）具有超宽动态拍摄功能,能在高反差以及照明突变的情况下，快速、精确的进行响应，从而获取高质量的、充分曝光的影像画面。

具有超级降噪技术，能够消除动态图像噪点，图像阴影和拖尾现象。特别是在解决由车头灯造成的路面交通监控或停车场监控问题时，低拖尾度尤其重要。高信噪比,白平衡自动调整等功能的快速(快门速度不能慢于1/1000秒)摄像机。采用工业级器件，具有良好的全天候工作能力，长期运行稳定可靠。本文拟对以下几个重点参数作说明。

1/2 EXVIEW HAD ?CCD

ccd产品问世已有30多年，从20万像素发展到500—800万像素，无论其市场规模还是其应用面，都得到了巨大的发展，可以说是在平稳中逐步提高，特别是近几年来，在消费领域中的应用发展速度更快。

ccd组件，每一个像素的面积和开发初期比较起来，己缩小到1/10以下。今后在应用产品趋向小型化，高像素的要求下，单位面积将会更加的缩小。在小型化的同时，利用各种新开发的技术，使其感光度不会因为单位面积缩小而受到影响，也同时要求其性能维持或向上提升。

以下是索尼公司按年代划分而发展的ccd传感器简介：

1、had感测器

had（hole-accumulation diode）传感器是在n型基板，p型，n+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是sony独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在n型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。在80年代初期，索尼将其领先使用在可变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。

2、on-chip micro lens

80年代后期，因为ccd中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。为改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。

3、super had ccd

进入90年代后期以来，ccd的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术，已经无法再提升感亮度，如果将ccd组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提高，画质会受到明显的影响。索尼在ccd技术的研发上又更进一步，将以前使用微小镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼 super had ccd技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为ccd基本技术奠定了基础。

4、new structure ccd

在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使得入射到ccd组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而ccd感测器的感度将会降低。1998年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直ccd画面杂讯的讯号不会进入，使smear特性改善。

5、exview had ccd

比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止，ccd无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼在1998年新开发的“exview had ccd”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利用“exview had ccd”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直ccd部分的smear成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。

最低照度

照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明（Lm）数，也叫做勒克斯（Lux）：1Lux=1Lm/平方米,上式中，Lm是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度（约1770℃）时，其1/60平方米的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量。

为了对照度的量有一个感性的认识，下面举一例进行计算，一只100W的白炽灯，其发出的总光通量约为1200Lm，若假定该光通量均匀地分布在一半球面上，则距该光源1m和5m处的光照度值可分别按下列步骤求得：半径为1m的半球面积为2π×1×1=6.28平方米距光源1m处的光照度值为：1200Lm/6.28平方米=191Lux同理、半径为5m的半球面积为:2π×5×5=157平方米距光源5m处的光照度值为：1200Lm/157平方米=7.64Lux

可见，从点光源发出的光照度是遵守平方反比律的。1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度，我们在摄像机参数规格中常见的最低照度，表示该摄像机只需在所标示的LUX数值下，即能获取清晰的影像画面，此数值越小越好，说明CCD的灵敏度越高。同样条件下，黑白摄像机所需的照度远比尚须处理色彩浓度的彩色摄像机要低10倍。黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1lux以上。照度值不仅与镜头的光圈大小（F值）有关，与测试时的周边环境也有着较大的关系，以光圈大小（F值）而言，光圈愈大则其所代表的F值愈小，所需的照度愈低 0.97lux/F0.75相当于2.5lux/F1.2相当于1.7lux/F1.0

参考环境与照度：

参照环境	大概照度	参照环境
夏日阳光下	100000lux	室内 , 日光灯
阴天室外	10000lux	黄昏室内
电视台演播室	1000lux	20cm处烛光
距60w台灯60cm桌面	300lux	夜间路灯

摄像机按照度可分为

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

红外型：采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像

宽动态摄像机摄像机的最低照度是指当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号幅值下降为标准幅值700mV的50%--33%（视频标称值为1V，标准值为700mV）：另一种最低照度为CCD上的光照度,也即是CCD的感光度。CCD的光照度值远低于摄像机的最低照度值，很多不法商人就将CCD的最低照度值标称为摄像机的最低照度值，以蒙骗不知情者，这一点尤其体现在国内的一些OEM产品以及一些杂牌、低端摄像机产品上。

低照度摄像机在市场的演进简单分为以下三步：白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）；低速快门（SLOW/SHUTTER）及超感度摄像机（EXVIEW HAD）。

1.白天彩色/晚上黑白（昼夜型摄像机COLOR/MONO）

此类摄像机在市场上仍有其特定的需求群，昼夜型（COLOR/MONO）摄像机是利用黑白图像对红外线感度较高的特点，在一定的光源条件，利用线路切换的方式将图像由彩色转为黑白，以便于搭配红外线。在彩色/黑白线路转换的技术演进过程中，早期曾采用2颗SENSOR（1颗彩色、1颗黑白）共用一组电路再行切换，此类摄像机已采用单一CCD（彩色）设计，在白天或光源充足时为彩色摄像机，当夜晚降临或光源不足时（一般在1LUX～3LUX）。

即利用数字电路将彩色信号消除掉，成为黑白图像，且为了搭配红外线，亦拿掉了彩色摄像机不可缺的红外线滤除器，此种作法虽可在夜晚达到“低照度”的目的，白天却有图像模糊，色彩不自然的缺点，并且摄像机的摄像距离会受到红外灯照射距离的限制。

然而，COLOR/MONO摄像机是否属于“低照度”摄像机，仍相当具争议性，专家指出真正的“低照度摄像机”应指摄像机本身（所采用的元件、技术）可达到的功能，而白天彩色/晚上黑白的摄像机因受限于CCD灵敏度，本身并无法改变，只是利用线路切换及搭配红外光的方式将功能提升，不能算是低照度摄像机。

2.低速快门（SLOW/SHUTTER）

此类摄像机又称为（画面）累积型摄像机，是利用电脑记忆体的技术，连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来，成为一个图像清晰的画面，运用SLOW SHUTTER技术降低摄像机照度至0.008LUX/F1.2（×128），并且画面能够累积的帧数（128帧）是属于甚至包括进口品牌再内的领先水平。此类型低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆，夜间生物活动观察，夜间军事海岸线监视等，属性较静态场所的监视。此类型的低照度摄像机，大多数为进口品牌价格昂贵，且累积帧数少（32帧）。

3.超感度摄像机（EXVIEW/HAD）

超感度摄像机（EXVIEW/HAD），又称24小时摄像机，为98年全世界最热门的机种，其彩色照度可达0.05LUX，黑白则可达0.003-0.001LUX（亦可搭配红外线以达 0LUX）不仅能清晰的辩识图像，更是实时连续的画面。此类型摄像机主要是采用SONY元件厂于97年所推出的EXVIEW/HAD/CCD（超感CCD），其运用专利技术将CCD每一像素的开口率提高，进而达到更低照度的要求.这一技术的出现受到了监控市场的欢迎，对各种光照环境下均可表现出最佳的效果.特别是配合专用的红外照明设备，可以得到高清晰度的黑白图像，实现0照度的监控（完全无光的情况下）。

在近红外760mm-1100mm的近红外区域，如果配合合适波长的红外照明，就可以实现清晰的黑白图像。

三星TECHWIN公司(原三星航空，国内称为三星光电子)依靠在行业30年的生产经验，在技术的不断创新和为顾客提供高质量的安防产品上，总是走在前端。其产品系列SHC-740，SHC-740，SHC-721，SDZ-330，SPD-3300等全部采用128倍帧累积技术，清晰度高达520TVL以上，信噪比达50db以上，具有日夜转换功能。特别是SHC-740(图1)，采用了EX-VIEW HAD CCD，使用Samsung SVⅢ DSP芯片，在低照度技术，高清晰度有了新的突破(高达540TVL)，使摄像机在几乎全黑的条件下也可以得到优质的画面，其最低照度彩色模式为0.01LUX@F1.2,黑白模式为0.003lux@F1.2? ns-up模式为0.0003 LUX@F1.2，广泛应用于国防边境，军队，高速公路

宽动态

在一些明暗反差过大的场合，一般的摄像机由于CCD的感光特性所限制，摄取的图像往往出现背景过亮或前景太暗的情况。针对这种情况，宽动态技术应运而生，较好地解决了这一问题。而在此之前，传统的摄像机一般会采取背光补偿功能来适应光线反差大的场合。

常规摄像机视场中的物体在亮度较高的背景光时，需要看门口或窗外的物体，通常采用中央背光补偿(BLC)模式，它主要是靠提升视场中央部分的亮度、降低视场四周部分的亮度来达到看清位于中央位置内物体的目的。

背光补偿，也称为逆光补偿，是把画面分成几个不同的区域，每个区域分别曝光。在某些应用场合，视场中可能包含一个很亮的区域，而被包含的主体则处于亮场的包围之中，画面一片昏暗，无层次。此时由于AGC检测到的信号电平并不低，因此放大器的增益很低，不能改进画面主体的明暗度，当引入逆光补偿时，摄像机仅对整个视场的一个子区域进行检测，通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。

由于子区域的平均电平很低，AGC放大器会有较高的增益，使输出信号的幅值提高，从而使监视器上的主体画明朗，大大降低背景画面与主体画面的主观亮度差，整个视场的可视性得到改善.逆光补偿虽然改善了拍摄主体的亮度，但是图像质量或多或少会劣化下降。

而宽动态这一技术是同一时间曝光两次，一次快，一次慢，再进行合成使得能够同时看清画面上亮与暗的物体。虽然二者都是为了克服在强背光环境条件下，看清目标而采取的措施，但背光补偿是以牺牲画面的对比度为代价的，所以从某种意义上说，宽动态技术是背光补偿的升级。

三星TECHWIN(三星光电子)由于企业背景的原因，在国家军工方面有着丰富的经验，产品更偏重于工业用品，耐用性和稳定性。并且具有多年来积累的光学和半导体技术经验。在内置专业半导体芯片的安防监控摄像机和嵌入式硬盘录像机等产品上有着良好的表现。其独立研发的第三代超级图像技术SVⅢ(图5),配置了双速扫描CCD，能够拍摄出具有宽动态效果的图像。并且使用了两个12位数字输入端，使SVⅢ拥有超过80db的宽动态范围，大量的数字信息经过23位的数据总线传输到DSP后，DSP进行内部处理，确保了没有数据丢失。然后宽动态范围通过非线性的适应性WDR压缩算法压缩成10位输出。

采用了适应性抗马赛克色彩再生算法，彩色达到540线，黑白570线。

强大的灵敏度增强技术，提供动态的3D过滤后的图像，优化了信噪比。并且在保持全实时效果的低照度条件下，增强可见度。

采用了高级的局部区域强化对比技术，即使在较差的照度条件下也能得到理想的对比度。

采用独特的色彩控制算法可以扩大白平衡使用范围，即可以在很宽的色温范围内，将颜色准确真实的再现。这也意味着在很低照度条件下也能支持使用彩色模式并且很好的进行白平衡。

典型应用

低照度、宽动态摄像机用于道路监控的重点是高速公路收费监控系统,主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况，对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件和特殊事件进行观察和记录，实施有效的监督。。尤其是在晚上，收费站工作人员需要看清车牌，而一般情况下，车灯打开后，路上的环境照度与车牌的照度形成了一定的动态范围，传统摄像机难以“看清”，所以对低照度、宽动态摄像机有了需求。

其次是电子警察系统，过闭路电视监控和冲红灯自动摄录等手段，提高指挥中心的直观性、实时调动能力和对交通事故、意外事件的响应能力，以及增强查处违章的客观性，并对控制区域进行全面协调控制，提高车辆的通行能力。由于需要看清车牌，24小时监控，所以对低照度，宽动态摄像机有需求。

另外城市商业街中也有一定的应用，用以掌握一些繁华路口的交通情况，路段周围车辆的运行情况和，行人的流量情况和交通治安情况等问题。

实现方式

CCD+DSP技术：

DSP芯片是一种特殊的微处理器，根据数字信号处理理论的数学模型和算法，设计出专门的数字信号微处理器芯片。计算程序全部“硬化”，数字滤波器所需要的其他设备也全部集成、硬化，比如加法器、存储器、控制器、输入/输出接口，甚至其他类型的外部设备等。许多在模拟信号处理器中无法进行的工作，都可以在数字处理中进行，如二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背景光补偿、肤色轮廓校正、细节补偿频率调节、准确的彩色矩阵、精确的校正、自动聚焦等。

超级宽动态技术常使用双速CCD配合DSP的处理方式。这种双曝光(或双快门)技术的核心是针对明暗反差较大的场景，摄像机先对明亮区域进行一次快速曝光，得到一幅亮部区域清晰正常的图像并存储到数据缓冲存储器中;然后再对场景中暗部区域进行一次慢速曝光，得到一幅暗部区域画面清晰的图像也存储到数据缓冲存储器中。

以上曝光完毕后，利用DSP特有的图像处理算法，将两幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来，最后进行叠加合成并输出一幅明暗区域都清晰可见的图像。这样就能避免亮部曝光过度和暗部曝光不足的问题，从而使整个画面都清晰可见，以实现宽动态的处理效果。但如果采用不同DSP芯片，在具体细节上还是有明显差别，比如对灵敏度、色还原度、白平衡等的处理。

CMOS+DPS技术

美国Pixim公司在斯坦福大学20世纪90年代技术发展基础上研发了一种基于CMOS技术的新型的图像拾取系统——DPS(数字像素处理系统)，此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图片。宽动态功能划时代地提升了一幅图像中亮和暗区域的影像拍摄效果，可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在宽动态处理上，DPS采用的是每一个像素单独曝光和ARM7控制技术，相比于CCD的两次曝光成像有了更高的动态范围。

从数值上来说，采用DPS技术的CMOS摄像机就目前的处理技术，其动态范围即可到达95dB，甚至可至120dB。在扩大动态范围的同时，DPS也解决了CCD传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足，其色彩还原性更加真实，能够满足应用的要求。使用这种技术的摄像机在数字图像传感器里每一个像素中都使用了一个模拟数字转换器(ADC)，在捕捉到光信号时直接转化为数字信号，最大程度地降低了信号在排列中的衰减和干扰。

结束语

随着社会对交通安全防范意识的日益加重，道路基础建设必须配合道路监控系统的建设，这无疑预示着交通监控行业潜藏着巨大大商机。而具有低照度，宽动态的摄像机必然有广阔的空间。Technology,Winner in Digital World ，三星TECHWIN愿凭着优质的产品和一流服务为中国的智能交通事业贡献出自己的一片力量。

技术知识

宽动态范围是图像能分辨最亮的亮度信号值与能分辨的最暗的亮光信号值的比值。

宽动态的表现方式以“倍数”或“dB”来表示，在以100IRE为标准时，换算公式：N dB=20log（V2/V1）。普通摄像机（称V1）的宽动态值为10dB ,如宽动态为48 dB ，与普通摄像机之间的差为38 dB，V2/V1=80，说明与普通摄像机宽动态差为80倍，松下第三代宽动态摄像机是54 dB，V2/V1=160倍。池上ISD-A10摄像机典型动态范围95 dB，V2/V1=17782倍，最大宽动态范围120dB，V2/V1=316227倍。从“倍数”上看，采用Pixim DPS技术的摄像机，宽动态范围要比CCD宽动态范围有极大的提高。

参考资料