监控摄像机动态范围的基本概念和一些简单的换算规律

监控摄像机动态范围的基本概念和一些简单的换算规律
所谓宽动态实际是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。

而“动态范围”广义上说是指某一变化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。

摄像机的“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。

即表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮”的调整范围，是静态图像或视频帧中最亮色调与最暗色调的比值。

而色调能呈现出图像或帧中的精准细节，作为两种色调的比值，动态范围的单位可以是分贝、比特、档，或者简单以比率或倍数来表示。

各种单位之间的换算方法如表1所示。

动态范围各单位之间的换算方法
列出了20档动态范围，因为这几乎涵盖了人眼所能分辨的所有动态范围，超过这些档位的动态范围已没有太大的实际意义。

人眼之所以能分辨出跨度如此之广的动态范围，是因为人在观察实景时，瞳孔、虹膜、视网膜和相关肌肉会相互作用、动态调整，同时，大脑会将所有“曝光元素”整合为一幅连贯的图像，极其精准地反映出实景中十分明亮或十分暗淡的色调。

JVC的动态范围测试方法
与人眼相比，对于标准CCD和CMOS图像传感器来说，所有感光单元的曝光(收集光子)时间都是相同的。

感光单元对景物明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。

但是，感光单元能够收集的光子数量却受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和。

为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。

但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光子。

因此，对于典型的单次曝光的图像传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比。

因此，CCD摄像器件的动态范围是指其输出的饱和电压与暗场下噪声峰-峰电压之比，即
动态范围=Usat/UNp-p(1)
(1)式中，Usat为输出饱和电压；UNP-P为噪声的峰-峰值。

显然，动态范围也可这样来定义和计算，即由CCD势阱中可存贮的最大电荷量和噪声所决定的电荷量之比；其数值也是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比(通常用dB 表示)，即
动态范围=USp-p/UNp-p(2)式(2)USp-p为输出信号峰值电压。

因此，宽动态就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚，宽动态范围就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。

显然，确定摄像机成像器的动态范围的方法主要有两种：一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息由上述公式计算得出；另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像，并测量影像级别的方法得出。

尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值，但通常人们还是倾向于使用测量的方法，因为它能反映用户对摄像机成像效果的实际体验。

下面就具体介绍国外三大厂家对摄像机动态范围的实际测试方法。

JVC的动态范围测试方法
对摄像机动态范围的测试方法可能不尽相同，但其测试原理大同小异，这里介绍JVC 的一种基本测试方法如下：
测试摄像机动态范围所需的设备及条件
测试摄像机动态范围所需要的设备如下5点：
·透射灰度卡与反射灰度卡；
·亮度可调的背光灯箱与亮度可调的照射光源；
·视频监视器与波形监视器；
·测光表或照度计；
·标准内镜头等。

测试摄像机动态范围的条件：需要在暗室内进行。

测试摄像机动态范围的基本方法与步骤
·第一步：在暗室中一桌子的同一垂直平面上安装2套双阶灰度测试卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可调的背光光源作为恒定参照，调整背光源亮度，确保自正面中心确认白块表面的发散照度为2500Lx；另外1套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可调的照射光源，以用于测定动态范围的临界值；
·第二步：架设待测摄像机与灰度测试卡中心同水平面高度，并保持与灰度测试卡垂直平面呈90°夹角，同时使摄像机镜头视角能涵盖2套灰度测试卡；
·第三步：将摄像机的输出信号连接到视频监视器与波形监视器；
·第四步：在摄像机加电稳定后，开启扩展动态范围功能，将正面的照射光源的亮度调整到2500Lx。

显然，在这种照度下是曝光过度的(出厂的标准照度多为2000Lx)，此时反射灰度卡的白色端条纹可能会出现层次混合，即有2条或更多灰度条表现出相同的白色，而分辨不出亮度的差别；
·第五步：再不断缓慢降低光源亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。

当顶电平因为光源照度降低而开始相应降低时，记录此时的照度值(如L1)，这一照度值即为该摄像机动态范围的上限。

此时的摄像机应当正好可以表现出亮度较大的白色条纹之间的亮度层次区别；
·第六步：然后再不断继续缓慢降低亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。

当顶电平不再因为光源照度降低而继续相应降低时，记录此时的照度值(如L2)，这一照度值即为该摄像机动态范围的下限。

此时摄像机拍摄的灰度卡图像中在亮度暗的2个灰黑色条纹之间的亮度层次区别应当正好消失而混合成一块黑色。

JEITA的动态范围测试方法
测试结果计算
用上述实际测试方法计算动态范围的公式如下：
动态范围=20logL1/L2(dB)(3)用上述测试方法测得JVC的CCD宽动态摄像机TK-WD310EC的顶电平变化自2200Lx开始至1.1Lx结束，由式(2)可得
动态范围=20log2200/1.1=66dB
用上述测试方法测得某公司的CCD宽动态摄像机的顶电平变化自1500Lx开始至5Lx 结束的动态范围为
动态范围=20log1500/5=49dB
JEITA的动态范围测试方法
JEITA是日本电子资讯技术产业协会的简称，其对摄像机动态范围的测量方法也是采用灰阶测试卡。

实际上，是否能够准确确定动态范围，一个重要的限制因素是灰阶测试卡是否能够有效测出动态范围的全部取值。

比如KodakQ-14测试卡，相邻灰阶格的刻度差是1/3光圈级数(f-stop)，最多只能测量出5.66档或大约34分贝的动态范围。

使用JEITA方法测量动态范围和动态范围扩展比率时，灰阶测试卡的gamma值指定为2.2，总共有十个灰阶级别，能够测出的动态范围与Q-14灰阶测试卡基本相同。

按照这种方法的规格说明书所述，将两张灰阶测试卡并排放置，二者中间以屏幕相隔。

再用两台不同的照明光源分别照射屏幕两侧的测试卡，如图2所示。

2JEITA动态范围扩展比率测量装置
JEITA方法中规定，对测试卡较亮的一端不断增加照明强度或增大光圈，直到刚好可以
区分出最亮的两个灰阶级别，然后对测试卡较暗的一端不断减小照明强度直到最亮的灰阶级别(白色)达到50IRE。

用前述测试法中的公式(3)即可计算动态范围的扩展比率(dB)，即
动态范围扩展比率(dB)=20log(L3/L4)
这种方法虽然算出了动态范围扩展值，但它完全忽略了成像器捕捉中间色调的能力。

JEITA方法并没有克服两次曝光CCD传感器的主要缺陷，因为该方法只关注于对较高和较低色调范围以内的不同灰阶值的区分。

JEITA方法的缺陷是：所有的测试装置都没有明确指定；没有指明怎样放置照明设备，使用何种类型的光线，甚至没有说明如何准确衡量照明强度。

这就意味着，实验装置和测量条件的变化都会影响最终的测量结果。

值得注意的是，JEITA方法测量的是动态范围扩展值，而不是总体的测量范围，因为该方法并未指明如何确定基准动态范围或总体动态范围。

Pixim的动态范围测量方法
为了消除上面的缺陷，让测量实验具有可重复性，使得在测量过程中可以对所有色调级别同时进行观察和比较，Pixim使用一套定制的仪器装置来测量动态范围。

该套装置包含一个灯箱，它使用700瓦的白炽灯光对透光步进卡进行背光投射。

测量使用的步进式光楔均由SinePatternsLLC公司生产，两个光楔重叠在一起最高可测量ND值为0.1到6.1或大约120分贝的密度范围。

要在计算机监视器上或在打印文档中准确显示很宽的动态场景显然并不容易，但是PiximDPS技术却能很好地捕捉到超宽动态图像，同时呈现单调灰阶和中间灰阶响应。

使用两次曝光方法的CCD摄像机拍摄的同一图片，请注意，尽管该相机自称具有很高的动态范围，但事实上还是可以从图片中场景高亮部分的晕光现象和中间色调的串色现象看出其明显的局限性。

另外，就对中间色调的响应来说，该相机的响应过于平乏，与PiximDPS 相机单调分明的响应相比，谁优谁劣，一看便知。

结语
上面介绍了动态范围的概念及3种具体测试方法，可供使用者选用参考。

由他们测试的两种摄像机的宽动态性能看，CCD宽动态摄像机不如CMOS宽动态摄像机好。

CCD虽然灵敏度高，但响应速度较低，并不适用于高清监控摄像机采用的高分辨率逐行扫描方式，因此高清监控摄像机多采用CMOS成像器件。

又由于CMOS成像器件所具有的宽动态范围、高速数字读出、无列读出噪声或固定图形噪声、工作速度更快、功耗更低的优点，使它能更方便地实现网络化与智能化。

显然，CMOS摄像机潜力巨大，其在动态范围等方面优异的性能，今后将会逐步取代CCD摄像机而占领市场。