视频监控摄像机动态范围的几种测试方法

　摘要：在应用安防监控摄像机时，经常会出现明暗反差较大或逆光的场景，使得图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域欠曝光，而不能看清图像最亮与最暗部分。因此，各摄像机厂家竞相开发了宽动态摄像机。但如何检测其宽动态性能，是工程商等应用人员急需了解的。本文介绍摄像机动态范围的基本概念，重点介绍国外三大厂商各自对监控摄像机动态范围的具体测试方法，以供工程商等应用人员测试选用参考... 　　引言 　　由于自然光线的排列是从120000Lux到星光夜里的0.00035Lux，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是10000Lux，因此当摄像机从室内看窗户外面，两者对比就是10000/100=100∶1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000∶1的对比度，但传统的安防监控摄像机则不行，因为它只有3∶1的对比性能。因此，在出现明暗反差较大或逆光的场景应用安防监控摄像机时，会使整个图像中明亮的区域曝光过度、较暗的区域曝光不足，而看不清图像最亮与最暗部分。如在银行储蓄所、重要场所出入口等。因为从窗外射入的强光和从天花板上的荧光灯照射的柔和光线都可能对当时室内外景象的捕获造成困难，不能同时将反差很大的室内外场景清晰地拍摄下来。其所拍摄图像会出现背景过亮前景过暗，或背景清晰前景过暗及前景适合背景过亮的情况。最早的解决方法，一般会采用背光补偿技术或在室内外架设两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不理想。扩展动态范围的技术随之应运而生，即现今所说的宽动态WDR(Wide Dynamic Range)技术。 　　松下从1977年首推第一代宽动态CCD摄像机起;到1999年又推出了第二代;2003~2008年再次推出第三代超级动态CCD摄像机。在此期间，索尼、JVC、三星等也相继推出了自已的宽动态CCD摄像机。至今，在安防监控领域一次又一次的技术改革中，带动了安防产业的飞速发展。 　　CCD宽动态技术是采用特殊DSP(数字信号处理)电路，对明亮部分进行最合适的快门速度曝光，其后再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，然后将两个图像进行DSP处理重新组合，使明亮的部分和黑暗的部分皆可看清。这种160倍动态范围技术虽具有大的宽动态，实现图像灰度的优化等优点，但其对DSP性能(特别是处理速度)要求很高。目前，由于CCD的特性限制，即便采用多次曝光取样方式，摄像机的宽动态范围也只能到66dB。 　　显然，由于CCD的感光特性限制，在技术上很难再有重大突破，而CMOS摄像机由于其图像传感器本身的优异性能，或有突出的表现。如一般的线性输出模式的动态范围就可达40~60dB;加拿大Dalsa公司采用线性-对数输出模式的IM28-SA型CMOS摄像机，其动态范围就可高达120dB;Apical有限公司结合Altera的 Cyclone III和Cyclone IV FPGA，利用Aptina MT9M033 720p WDR CMOS图像传感器也推出了明亮部分和暗的部分都看得清楚的CMOS宽动态摄像机;美国PIXIM公司开发了CMOS-DPS技术，其芯片组从D1000、D1500、D2000到D2500在性能上有了飞速提高：其图像清晰度从480线提升到540线以上;最低照度从1.0Lux/F1.2到0.5Lux/F1.2;典型宽动态范围从95dB 到120dB。据消息透露，有的CMOS的宽动态技术甚至已能达到160dB。因此可预见，未来的监控摄像机属于宽动态摄像机，而宽动态技术则属于CMOS。 　　目前，在全球市场上，有50多个国家约100种类型的宽动态摄像机投入实际应用，然而其中多数摄像机制造商皆采用了Pixim的DPS技术。这是因为DPS芯片的核心技术是在每一个像素里有ADC。也就是在准确的捕捉点上，光信号被转化成数字信号。这样做的好处是使像素间没有串扰和没有信号损失。这也意味着噪波大大降低并形成了一个超级动态范围，这样就避免了垂直光斑的产生。如日本池上广播级摄像机低垂直光斑达到-135dB，是所有广播级摄像机这项指标最好的。图1就是日本池上基于低垂直光斑和Pixim DPS技术的CMOS宽动态摄像机ISD-A10和普通CCD摄像机拍摄车灯时低垂直光斑效果图。 图1 CMOS宽动态摄像机ISD-A10和普通CCD摄像机拍摄车灯之时低垂直光斑效果比较 　　对CCD摄像机来说，光斑是CCD传感器的一个特性，在传感器中没有任何东西可以阻止强光穿射的曝光和在CCD上产生更多的电子，结果是在图像中强烈的光出现时通常垂直斑纹也出现，在图像中遮盖了相关的细节。实际使用中，很多具有低垂直光斑摄像机使用IT CCD芯片来减少光斑的数量，因为IT芯片能提供的更多好处在于高的信噪比和较低光斑。 　　目前，市场上宽动态摄像机很多，但如何检测其宽动态性能，是工程商等应用人员急需了解的。本文介绍摄像机动态范围的基本概念，重点介绍国外三大厂商各自对监控摄像机动态范围的具体测试方法，供工程商等应用人员测试选用参考。 　　摄像机动态范围的基本概念 　　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。 表1 动态范围各单位之间的换算方法 　　表1仅列出了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。 　　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。 　　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。 图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。