應(yīng)用場(chǎng)景

在安防視頻監(jiān)控領(lǐng)域，攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)一直是一個(gè)很重要的功能。尤其是在一些特殊行業(yè)或者場(chǎng)景中，一定要使用到寬動(dòng)態(tài)功能。比如安裝在銀行ATM機(jī)里，用來監(jiān)看使用者的微型針孔攝像機(jī)，因?yàn)閿z像機(jī)一般都是室內(nèi)往室外照射，光線明暗對(duì)比強(qiáng)烈，普通攝像機(jī)很難看清楚人臉，必須使用帶寬動(dòng)態(tài)功能的攝像機(jī)。

又比如，安裝在酒店大堂內(nèi)的攝像機(jī)，從室內(nèi)照向室外大堂出入口通道，要想看清楚進(jìn)出人員的特征，特別是面部特征，一定需要使用帶寬動(dòng)態(tài)功能的攝像機(jī)。

寬動(dòng)態(tài)在監(jiān)控中使用的典型場(chǎng)景：

外面有日光而室內(nèi)環(huán)境陰暗的入口處。
外面有日光而室內(nèi)明亮等級(jí)低的停車場(chǎng)或隧道。
直接日照且有深色陰影的戶外場(chǎng)景。
有大量窗戶反射光線的辦公大樓或購(gòu)物中心。

定義

一般的經(jīng)驗(yàn)，在攝像機(jī)拍攝視頻成像時(shí)，如果整個(gè)監(jiān)控場(chǎng)景光線比較復(fù)雜，有的地方光線很暗，有的地方很亮，那攝像機(jī)拍攝呈現(xiàn)出來的畫面可能是暗的地方什么都看不見，或者亮的地方曝光過渡，也什么都看不清。為了描述攝像機(jī)拍攝明暗對(duì)比比較強(qiáng)烈的場(chǎng)景時(shí)的識(shí)別能力，我們引入了動(dòng)態(tài)范圍這一概念，而寬動(dòng)態(tài)狹義的理解就是表明了攝像機(jī)拍攝識(shí)別明暗對(duì)比場(chǎng)景的一種能力。

其他名稱

寬動(dòng)態(tài)，WDR，英文是wide dynamic range，即寬動(dòng)態(tài)范圍。安防sensor進(jìn)入CMOS時(shí)代以后，寬動(dòng)態(tài)也被稱為HDR，即High-Dynamic Range（高動(dòng)態(tài)范圍）。特別是電影電視行業(yè)，顯示器領(lǐng)域，手機(jī)屏幕，攝影攝像等一般都稱為HDR。安防行業(yè)把寬動(dòng)態(tài)也稱為HDR，算是和這些行業(yè)領(lǐng)域接軌了。

引領(lǐng)安防sensor發(fā)展趨勢(shì)的Sony對(duì)于寬動(dòng)態(tài)功能還有這些稱呼：DOL-HDR或者DOL-WDR，都是同一個(gè)意思。

DOL(digital overlap) WDR stands for digital overlap wide dynamic range, it’s the next generation Sensor-based WDR technology exclusively developed by Sony.

與背光補(bǔ)償?shù)膮^(qū)別

背光補(bǔ)償解決的問題是因?yàn)楸尘肮饩€過強(qiáng)導(dǎo)致的監(jiān)控目標(biāo)光線過暗，看不清問題。開啟背光補(bǔ)償以后，前景中的目標(biāo)物體能看清，而之前明亮區(qū)域?qū)⒈贿^度曝光。

寬動(dòng)態(tài)是使整個(gè)畫面都能清晰可見，沒有過渡曝光的區(qū)域，也沒有明顯變暗的區(qū)域。

120dB

文章開頭提到了關(guān)于寬動(dòng)態(tài)的數(shù)值表述120dB，這其實(shí)是一個(gè)比值，意味著攝像機(jī)能識(shí)別拍攝的最亮部分和最暗部分的照度之比為1 000 000：1，即10的6次方 : 1。

10的6次方 : 1對(duì)應(yīng)的為什么是120dB呢？我們?nèi)藶槎x的寬動(dòng)態(tài)比值公式：

dB = 20 log (最亮部分照度 [lx] / 最暗部分 [lx] )

20log(1 000 000/1)=20 X 6=120dB

實(shí)際上dB是一個(gè)比值，一個(gè)純計(jì)數(shù)方法，沒有任何單位標(biāo)注。在不同領(lǐng)域有著不同的名稱，因此它也代表不同的實(shí)際意義。比如聲音大小，信號(hào)強(qiáng)度等。

dB的意義其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是把一個(gè)很大（后面跟一長(zhǎng)串0的）或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)串0的）的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來。比如寬動(dòng)態(tài)范圍表示成120dB比使用1 000 000：1明顯更直觀簡(jiǎn)潔。

其他領(lǐng)域，對(duì)于功率，dB = 10Xlog()。對(duì)于電壓或電流，dB = 20Xlog()。

120dB也是一個(gè)比較特殊的比值，人眼能識(shí)別的動(dòng)態(tài)范圍大約也是120dB。（松下認(rèn)為人眼的動(dòng)態(tài)范圍大約是80-110dB）

實(shí)現(xiàn)方式

在模擬標(biāo)清時(shí)代，比較著名的一款寬動(dòng)態(tài)方案產(chǎn)品就是SONY的effio-p方案，至今我還保留有SONY effio-p寬動(dòng)態(tài)錄像視頻，現(xiàn)在看來這個(gè)寬動(dòng)態(tài)效果很一般，但是當(dāng)年這個(gè)效果已經(jīng)是非常出色的了。

模擬時(shí)代，實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)功能比較困難，受限于處理器性能，CCD傳感器一定要支持寬動(dòng)態(tài)功能，即一定要使用雙速CCD傳感器。

進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)高清時(shí)代，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。處理器性能，功能不斷增強(qiáng)；更多的CMOS傳感器能支持多幀畫面的線性疊加，寬動(dòng)態(tài)效果越來越好。總結(jié)起來，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)主要由下面幾種方式：

1. 使用雙速/高速傳感器，即使用帶有寬動(dòng)態(tài)功能的sensor(Sensor Build-In WDR)。同一時(shí)間抓拍多幅畫面(明暗不同效果的，Sony CMOS sensor一般是3幀)，多幀畫面疊加呈現(xiàn)。這種寬動(dòng)態(tài)效果一般稱為真實(shí)寬動(dòng)態(tài)；

2. 基于DSP處理器的寬動(dòng)態(tài)。目前市面上大部分處理器都可以做到(模擬高清攝像機(jī)使用的ISP，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)使用的編碼芯片)，因?yàn)楦鲝S家技術(shù)積累不一，所呈現(xiàn)的寬動(dòng)態(tài)效果也不一樣。這種寬動(dòng)態(tài)一般稱之為數(shù)字寬動(dòng)態(tài)(digital-WDR/dWDR)。

測(cè)量方法

公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA/T 1127— 2013《安全防范視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)通用技術(shù)要求[1]》設(shè)定了一種攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)能力測(cè)量方法。通過對(duì)圖像可分辨的灰階階數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍，灰階線性度，灰階的灰度，可分辨的彩色區(qū)域數(shù)量，拖尾阻抗，邊緣對(duì)比度，方塊陣列清晰度和信噪比等九個(gè)方面來綜合評(píng)估攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)能力。這種方法是科學(xué)合理的，介紹如下：

測(cè)試所需設(shè)備

? 寬動(dòng)態(tài)測(cè)試卡
使用寬動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試卡，包含灰階、灰度區(qū)域、顏色方 塊和多種圖形。采集的圖片然后用分析軟件去計(jì)算和測(cè)量出寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的各種不同性能參數(shù)。

? 光源箱
燈箱光源的光強(qiáng)度在放置測(cè)試卡的位置應(yīng)達(dá)到70 000 lx? 100 000 lx；燈箱的光源的色溫應(yīng)在冷熒光到D50之間，即 3 500 K ? 5 100 K色溫之間。

? 鏡頭
手動(dòng)光圈鏡頭。建議用F1.4/12.5mm鏡頭。

? 測(cè)試軟件
標(biāo)準(zhǔn)里沒提供使用的具體分析軟件。推薦使用ColorSpace，Imatest，IQL，IE，DNP，DxO等圖像測(cè)試軟件工具。

測(cè)試方法

將攝像機(jī)設(shè)置好，調(diào)整好鏡頭，捕捉一個(gè)靜態(tài)圖片。然后用分析軟件來計(jì)算分析攝像機(jī)的寬動(dòng)態(tài)性能。

分別測(cè)量計(jì)算灰階的可分辨階數(shù)，動(dòng)態(tài)范圍，亮度響應(yīng)的線性，灰階域的灰色，可分辨的顏色方塊數(shù)量，拖尾阻抗，邊緣對(duì)比度，方塊陣列清晰度，信噪比9個(gè)項(xiàng)目。

加權(quán)計(jì)算

將上述9個(gè)不同項(xiàng)目分配權(quán)重然后計(jì)算：

寬動(dòng)態(tài)性能分配權(quán)重表

根據(jù)權(quán)重，我們能夠計(jì)算出一個(gè)全面的綜合評(píng)估 ，計(jì)算方式如下:

綜合評(píng)估 = 16 X (DR/100) + 16 X (gray_steps/2l) + 16 X (color_patches/84) + 16 X linearity + 16 X grayness + 16 X smear_resistance + 16 X (edge_contrast/200) + 16 X grid_clarity + 16 X (SNR/60)

產(chǎn)生的問題

使用寬動(dòng)態(tài)功能以后，會(huì)對(duì)圖像的真實(shí)性，顏色等產(chǎn)生影響，這是無法避免的。常見的問題有如下這些：

? 位移殘影
場(chǎng)景中物體移動(dòng)太快或是曝光時(shí)間太長(zhǎng)，產(chǎn)生的移動(dòng)殘影。

? 鬼影
使用多重曝光生成一張圖像時(shí)，可能會(huì)在不同位置獲取到同一個(gè)移動(dòng)物體。疊加以后畫面呈現(xiàn)鬼影效果。

? 其它光源閃爍造成的假影
程序設(shè)置中，通常會(huì)假設(shè)光線照明條件不變，日光燈等調(diào)變光源通常會(huì)帶來問題，產(chǎn)生呈現(xiàn)條狀或可見脈沖的假影。

? 條紋噪聲
圖像中特定數(shù)量的隨機(jī)分布的噪聲通常可接受。不過在進(jìn)行數(shù)字化處理時(shí)，有時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生可見的條狀噪聲。

? 卡通化和過度銳利化
WDR圖像可能包含太多重復(fù)的色調(diào)和增強(qiáng)細(xì)節(jié)，以致難以在標(biāo)準(zhǔn)攝像頭上顯示。導(dǎo)致圖像可能出現(xiàn)明顯的卡通化及不自然風(fēng)格。

? 色偏
像素處理方式的不同，可能會(huì)導(dǎo)致色彩重現(xiàn)假影，比如錯(cuò)誤的顏色或太多顏色。

? 紫邊
因?yàn)殓R頭色差緣故，可能在圖像銳利邊緣旁看到紫邊或藍(lán)邊的效應(yīng)。
光線在鏡頭內(nèi)折射不等，因此在sensor上略微會(huì)有偏移或失焦。此效應(yīng)通常在sensor的邊緣較強(qiáng)烈。WDR攝像機(jī)對(duì)色差的靈敏度高于傳統(tǒng)攝像機(jī)，因?yàn)閳D像暗色部分的色調(diào)對(duì)圖像影響較大。

? 鏡頭耀光和光暈
光線進(jìn)入鏡頭時(shí)，有些光線在鏡頭內(nèi)會(huì)散射或閃耀，從而到達(dá)sensor上的錯(cuò)誤位置，造成不同類型的假影。
最常見的假影是鏡頭耀光，大部分鏡頭朝向日光等強(qiáng)烈光源時(shí)會(huì)發(fā)生。另一種稱為光暈的效應(yīng)，會(huì)在圖像的較大區(qū)域上降低對(duì)比度和色彩飽和度。圖像中有強(qiáng)烈光源、寬動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景、鏡頭臟污或鏡頭里有灰塵時(shí)，這兩種效應(yīng)會(huì)更嚴(yán)重。透過在攝像機(jī)上安裝防塵罩可減少耀光和光暈，但希望達(dá)到更大動(dòng)態(tài)范圍的WDR攝像機(jī)，仍會(huì)受到光學(xué)系統(tǒng)中散射光的限制。