在使用監(jiān)控攝像機的時候，被攝場景明暗光線反差過大造成畫面不清的難題一直困擾著廣大用戶。隨著寬動態(tài)技術的開發(fā)及應用，這個問題得到了很大的改觀。本文針對兩種不同的寬動態(tài)實現(xiàn)技術，進行了深入的分析和比較，同時根據(jù)應用、安裝、調試、選購以及市場的發(fā)展情況，提出了各廠家的看法和意見，僅供參考。
作為攝像機的重要功能，寬動態(tài)技術（WDR）發(fā)展至今正在逐漸走向成熟。在寬動態(tài)技術未問世之前，傳統(tǒng)的攝像機普遍采用的是背光補償（BLC）的方法來解決強光或逆光狀態(tài)下攝像機主體畫面過暗和不清晰的問題。但是這種方式并不能保證整個圖像畫面的清晰。因此，隨著應用的需求，在后來的技術發(fā)展過程中，寬動態(tài)技術被研究問世，并作為攝像機的一種特殊功能被廣泛應用到工程實際。
自寬動態(tài)技術被提出，發(fā)展到現(xiàn)在，在技術上便先后出現(xiàn)了兩種不同的寬動態(tài)實現(xiàn)方案。一種是以CCD配合DSP芯片的處理方式，采用雙曝光或者多次曝光，通過DSP處理，形成優(yōu)質畫面，這是傳統(tǒng)的主流寬動態(tài)實現(xiàn)技術。該實現(xiàn)技術的代表廠家有Panasonic（松下）、Sony（索尼）、JVC（杰偉士）、SAMSUNG TECHWIN（三星光電子）、SAMSUNG（三星電子）、LG（樂金）等日韓廠家，這些廠家都具有強大的研發(fā)實力，能開發(fā)出相應的DSP芯片。另一種則是PIXIM公司基于CMOS研發(fā)的DPS技術（數(shù)字圖像傳感和處理系統(tǒng)），其采用的核心技術對每個像素進行多次單獨無損失采樣，并控制每個像素的最佳采樣時間，從而使每個像素達到最佳狀態(tài)時才存貯像素信息，可同時獲取監(jiān)控場景中明亮及陰暗區(qū)域中詳細的圖像信息,采用該項技術生產(chǎn)的攝像機已越來越多，具有后起之秀的強勁發(fā)展態(tài)勢，代表廠家有池上、景陽等。
CCD+DSP技術
由一統(tǒng)天下遭遇嚴峻挑戰(zhàn)
寬動態(tài)技術是伴隨著DSP技術的發(fā)展而發(fā)展的，CCD配合DSP處理技術最早是由松下公司提出和大規(guī)模應用到實際生產(chǎn)中的。據(jù)松下電器（中國）有限公司項目推進中心的郭辰見介紹，1997年，松下公司首次推出了寬動態(tài)攝像機（SD技術），它的寬動態(tài)范圍達到普通攝像機的40倍。到了1999年，松下公司推出第二代超級寬動態(tài)攝像機，它的寬動態(tài)范圍達到80倍（48dB）。隨后，松下的第三代超級寬動態(tài)攝像機于2005年4月問世，它的寬動態(tài)范圍達到了160倍（54dB），代表機型為WV-CP480、WV-CW960。
如今的第三代超級寬動態(tài)技術使用雙速CCD配合DSP的處理方法已經(jīng)相當成熟了。這種雙曝光（或雙快門）技術也是采用最普遍的寬動態(tài)攝像機處理技術。該技術的核心是針對明暗反差較大的場景，攝像機先對明亮區(qū)域進行一次快速曝光，得到一幅亮部區(qū)域清晰正常的圖像并存儲到數(shù)據(jù)緩沖存儲器中；然后再對場景中暗部區(qū)域進行一次慢速曝光，得到一幅暗部區(qū)域畫面清晰的圖像也存儲到數(shù)據(jù)緩沖存儲器中；以上曝光完畢后，利用DSP特有的圖像處理算法，將兩副圖像當中亮度適當?shù)牟糠址謩e切割下來，最后進行疊加合成并輸出一副明暗區(qū)域都清晰可見的圖像。這樣就能避免亮部曝光過度和暗部曝光不足的問題，從而使整個畫面都清晰可見，實現(xiàn)寬動態(tài)的處理效果。
從市場上看，CCD配合DSP技術方案的寬動態(tài)攝像機（以下簡稱DSP攝像機）產(chǎn)品一直是市場的主流，且使用這種方案的廠家眾多，雖然有研發(fā)實力的廠家寬動態(tài)技術絕大多數(shù)相似，但是由于采用不同的DSP芯片，在具體的細節(jié)處理上還是有他們自己的獨特之處。
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1、五次取樣方式
據(jù)JVC技術部工程師譚耀明介紹，JVC采用的五次取樣方式（也叫五次合成電子快門）實際上就是在雙快門曝光的基礎之上多增加三次曝光的圖像取樣技術。攝像機在前兩副圖像上根據(jù)對最亮區(qū)域至最暗區(qū)域的中間過度范圍的整體評估，再對圖像進行三次中間層次的曝光，這樣又得到了三幅過度范圍內亮度不同的曝光圖像，最后再將五幅圖像中亮度適當?shù)牟糠智懈钕聛斫M合起來并輸出一幅新的圖像。五次曝光技術的運用又是對寬動態(tài)處理技術的一次拓展。
2、伽瑪值曲線修正處理
據(jù)了解，伽瑪值實際上就是亮度層次間灰階關系在行業(yè)內部采用的專有名詞，也是視頻行業(yè)稱之為對圖像的“灰階比例修正方式”。據(jù)市場了解這種技術在針對圖像采集時，它會進行暗、亮不同區(qū)域的調整。按照要求，分組逐漸降低高亮度層次間的灰階關系，同時逐漸提高低亮度層次間的關系，達到擴展低亮度區(qū)域層次關系，壓縮高亮度層次關系的目的，間接擴展圖像亮度的動態(tài)范圍。比如，人們關注的顏色、或者對比度等，它會根據(jù)不同區(qū)域進行放大，擁有不同的模式。這種技術的運用可以使圖像在修正之后達到更好的效果。
3、超級數(shù)字降噪處理技術
據(jù)廣州瀚祺電子科技有限公司的技術工程師賀偉介紹，三星光電子自主研發(fā)出的超級圖像數(shù)字降噪技術(SSNR)，可以在夜晚極低照度條件下，通過降低隨機出現(xiàn)的噪點，拍攝出和真實物體幾乎一模一樣的圖像，消除動態(tài)圖像噪點到幾乎可以忽略的地步。增加圖像感光度、解決圖像陰影及拖尾現(xiàn)象、節(jié)省硬盤存儲空間，這些都是常規(guī)的數(shù)字降噪技術所達不到的。它可以為使用MPEG壓縮格式的DVR節(jié)省70%的硬盤空間。目前，除外三星光電子，采用該項技術的還有松下、三星電子、LG等。
WDR技術發(fā)展歷程示意圖
DPS技術
奮起直追的后起之秀
DPS技術是二十世紀九十年代美國斯坦福大學研發(fā)的一種新型的圖像拾取系統(tǒng)，之后成立了Pixim公司，專門推廣該項技術。此系統(tǒng)可以通過其超強的寬動態(tài)功能來獲得高質量圖片，申請了56項專利，其中42項已經(jīng)生效。在DPS 技術中每個像素都有一個ADC（analog-to-digital converter），每個像素的信息都是獨立捕捉和處理的，同時使用了一個32bit的CPU處理芯片ARM7（或者ARM9）控制其每個像素的曝光時間，并使得模—數(shù)轉換更精確。因此即使在極端照明的條件下的高動態(tài)范圍場景，都能拍出還原準確低噪波的圖像。
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據(jù)深圳市景陽數(shù)碼技術有限公司的技術部工程師譚瑜鶴介紹，2005年，深圳景陽數(shù)碼與美國Pixim公司合作在國內第一家推出DPS超寬動態(tài)攝像機。DPS處理技術在采集一幅圖像時，系統(tǒng)可對每個像素進行多次單獨無損失采樣，并控制每個像素的最佳采樣時間，從而使每個像素達到最佳狀態(tài)時才存貯像素信息，可同時獲取監(jiān)控場景中明亮及陰暗區(qū)域中的詳細的圖像信息。這比CCD攝像機的兩次曝光成像有了更高的動態(tài)范圍。從數(shù)值上來說，CCD的最大動態(tài)范圍為60dB，而DPS攝像機的動態(tài)范圍一般可到95dB，最高可達120dB。DPS攝像機從傳感器到輸出的過程中，單幀圖像獲取的時間僅為0.8ms，而傳統(tǒng)CCD技術則需數(shù)十ms，從而它最大限度地減少了無效的轉換。因此，它減少了信號的傳輸時間，減小了信號的衰減、信號的傳輸與轉換的噪聲，即降低了噪聲和衰減，最終形成高質量的圖像。
兩種技術的比較
據(jù)采訪匯總，我們對這兩種方案做一簡單比較。
1、圖像持續(xù)穩(wěn)定性
DPS攝像機通過對菜單的調整可以在靜態(tài)場景中達到高清晰的圖像，但如果被攝場景環(huán)境（如溫度、光線）隨時間延長而發(fā)生變化的時候，系統(tǒng)可重新對每個像素進行多次采樣曝光，圖像畫面作相應的調整、最終保持畫面的清晰。而DSP攝像機畫面則不易受到被攝場景環(huán)境和時間變化的影響，當長時間監(jiān)視某一場景的時候，DSP技術攝像機會隨時間、光線和溫度的變化做出自動調整，使得圖像的畫面可以持續(xù)保持清晰。
2、操作使用性
一般來講，DPS攝像機具體豐富的菜單內容可操作、可滿足環(huán)境光線極其復雜的場合監(jiān)控需求、操作性較強。DSP攝像機則不同，它對用戶的操作要求并不高，人們只要打開功能菜單將它設定成寬動態(tài)功能就可以方便使用，無需針對不同光線的環(huán)境進行相應的調整。
3、低光照場景的應用
在光線較暗的場景中使用時（尤其在夜間），受低照度影響, DPS攝像機的圖像效果不夠理想，而DSP攝像機則可以很好的調節(jié)自身的功能，即使在低光照情況下也能正常輸出清晰的圖像。
4、反應速度和動態(tài)范圍
DPS攝像機在處理動態(tài)效果的圖像時比DSP攝像機反應速度更快，畫面比較流暢，而DSP攝像機CCD的反應速度比較慢，常會出現(xiàn)拖尾的現(xiàn)象。DPS攝像機的寬動態(tài)范圍與DSP攝像機的也有不同。據(jù)了解，在目前市場上，DSP攝像機的最大動態(tài)范圍約在60DB，而DPS技術攝像機則可以達到120DB。JVC的譚耀明表示，由于CCD的反應速度比較慢，在拍攝快速移動的物體時，若圖像明暗反差較大的話，常會出現(xiàn)拖尾的現(xiàn)象，而基于CMOS處理芯片的DPS攝像機降噪功能則較差，因而兩種技術的攝像機各有優(yōu)缺點。
總體來說，DSP+CCD的技術方案由于研發(fā)時間較長，發(fā)展得比較成熟，是目前主流的寬動態(tài)實現(xiàn)技術。但是由于研發(fā)DSP需要相當?shù)慕疱X、技術、時間，擁有該項技術的還是一些日韓大廠。而DPS攝像機由于集成度較高，容易快速產(chǎn)品化，而且在價格上比較優(yōu)惠，普及率逐漸提高。
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寬動態(tài)與其他技術的關系
寬動態(tài)技術并非一個獨立的攝像機技術，它在實際的應用中是和攝像機其他功能指標或環(huán)境因素結合在一起的。例如AGC自動增益、強光抑制、低照度等與寬動態(tài)是密切相關的。CSST的技術工程師鄧順民表示，寬動態(tài)攝像機遇到光線較弱時，可以通過自動增益控制來進行調節(jié)，針對圖像中光線較暗的地方可以控制曝光時間，使得自動增益功能協(xié)調攝像機以達到更好的寬動態(tài)圖像效果，從而改善低照度情況下的圖像質量。
實際上寬動態(tài)技術是背光補償（BLC）與強光抑制相互結合的產(chǎn)物。背光補償是完全依賴自動增益控制調節(jié)來實現(xiàn)圖像清晰效果的，強光抑制則是背光補償和強光屏蔽的結合技術。而寬動態(tài)技術則是結合兩者特殊性為一體的技術，它同時擁有背光補償、強光削弱、雙速快門以及自動增益的多種功能，從而完完全全使得被攝場景中的各部明暗圖像都能清晰地反映在畫面中，因此寬動態(tài)技術與自動增益、背光補償和強光抑制都是緊密相連的。
應用領域需拓展
安裝調試很關鍵
應用情況
寬動態(tài)攝像機的應用情況一直是人們關注的焦點。北京康斯環(huán)訊計算機系統(tǒng)工程有限公司總經(jīng)理黃小菲表示，寬動態(tài)攝像機多用于視場光照狀況不太理想的環(huán)境，銀行和交通兩大場所一直是寬動態(tài)攝像機應用的主要市場。
景陽數(shù)碼技術有限公司譚瑜鶴介紹說，目前寬動態(tài)攝像機主要應用于金融行業(yè)，其次是停車場、廣場、大廈出入口、港口、道路收費站等強逆光場所。松下電器（中國）有限公司郭辰見也表示，寬動態(tài)攝像機現(xiàn)在被大量應用在金融、交通、教育等領域的監(jiān)控。寬動態(tài)功能可使攝像機在光線反差較大的環(huán)境中（尤其是從室內看室外時）看清全景中每個角落的細節(jié)，如安裝了玻璃窗的辦公大樓大廳、銀行、ATM機、商店、機場，這些位于門口、窗口等處具有明亮背景光的監(jiān)控場景。在道路交通系統(tǒng)中，利用攝像機的寬動態(tài)功能，實現(xiàn)強光抑制效果可以看清車牌。
選購及安裝調試
松下電器（中國）有限公司郭辰見表示，在選擇寬動態(tài)攝像機時，應該從以下幾個方面著手：
1、根據(jù)實際應用場所和監(jiān)控目標，選擇相應參數(shù)、指標、功能要求的攝像機。
2、通過樣品演示，核實標出的產(chǎn)品參數(shù)、指標、功能是否與產(chǎn)品一致，實測拍攝圖像的清晰度、寬動態(tài)效果、色彩還原是否真實。
3、選擇可靠性高的攝像機。監(jiān)控系統(tǒng)建成后，若攝像機的質量、可靠性不能保證，需要經(jīng)常維修、調整或運行一段時間圖像質量下降、損壞，這些給用戶帶來的損失可能超過購買攝像機的費用。
4、選擇好的攝像機應該配好的鏡頭，這樣才能表現(xiàn)出更好的效果。
寬動態(tài)攝像機在實際中的安裝和調試中也是一個十分重要的問題。寬動態(tài)攝像機在使用中一般需要注意從場景角度出發(fā)，特別需要考慮攝像機的調試、安裝位置，按照用戶各種不同的需求來進行優(yōu)化設定。比如從增益、角度、明暗需求等因素來設定不同的參數(shù)。這樣在應用的過程中才能達到最佳的效果。深圳景陽的譚瑜鶴也表示，在低光照條件下，可以調節(jié)攝像機光圈，通過增加通光量的途徑來改變圖像不理想的效果。
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JVC的譚耀明介紹說，攝像機的安裝角度是一個需要關注的問題，一旦出現(xiàn)偏差，就會造成畫面遭受強光直射而畫面反白。以大門口為例，若安裝的時候正對著大門就不太好，此時門內和門外的照度如果反差比較大就會形成強逆光現(xiàn)象，這種逆光的方向很大程度上會影響圖像效果造成反白和光暈，所以定點選位的時候就需要盡量避免強光線的直射，選擇在盡量避開強光面對著大門的方向才會更好。
目前市場幾種主流寬動態(tài)攝像機產(chǎn)品性能指標：
未來之路
在新的應用需求面前，寬動態(tài)攝像機還可以進一步的改進、提高。北京康斯環(huán)訊計算機系統(tǒng)工程有限公司黃小菲表示，寬動態(tài)攝像機還未能實現(xiàn)智能化的應用，很多功能并不能滿足應用單位的需求，如果能夠在強光場景里捕捉的圖像中加入智能識別功能，那將會很大程度上幫助應用單位進行實時監(jiān)控以及識別和取證工作，如在公安部門的運用就是很好的例子。同時，寬動態(tài)技術遠不能達到人眼的動態(tài)效果（也許永遠達不到），因此它還有繼續(xù)發(fā)展的潛力。
據(jù)三星電子CCTV中國總代理偉昊公司有關人士表示，動態(tài)范圍和靈敏度是兩個矛盾因素，通常動態(tài)范圍大的攝像機其靈敏度較低，而高靈敏度的攝像機動態(tài)范圍相對較低。也就是說目前寬動態(tài)攝像機在環(huán)境光線足夠時完全能夠滿足環(huán)境的需求，呈現(xiàn)出高質量的圖像，但在低照度情況下的使用狀況并不是太好。這也是目前各生產(chǎn)寬動態(tài)攝像機廠家迫切要解決的技術問題。同時，動態(tài)范圍與不同物體截面光的折射也會使寬動態(tài)攝像機效果打折扣。
松下電器（中國）有限公司的郭辰見表示，未來的寬動態(tài)技術可以從以下幾個方向做出突破：1、更低照度，目前，寬動態(tài)攝像機的彩色最低照度為0.5Lux，以后提升后也許能達到0.1Lux；2、更高的快門速度，可以杜絕在拍攝快速移動物體時存在拖尾的現(xiàn)象；3、高清晰度，目前，寬動態(tài)攝像機的彩色水平清晰度在540線左右，今后，寬動態(tài)攝像機的彩色水平清晰度將達到600線。JVC的技術工程師譚耀明認為，若寬動態(tài)攝像機可以從感光器件、多次合成快門、色彩還原、以及反應速度等角度進行改善和提升，那么今后寬動態(tài)攝像機將會得到更廣泛的應用。
關于寬動態(tài)的界定需要規(guī)范，如動態(tài)范圍的換算一直存在爭議，業(yè)界沒有一個統(tǒng)一的標準規(guī)范，因此很多廠家的動態(tài)范圍值在可信度上都大打折扣。同時，廠家們的寬動態(tài)技術推廣有待完善，工程商們對寬動態(tài)功能的理想實現(xiàn)技術也有待提高，技術與銷售、廠家與工程師之間相互協(xié)調、溝通要增強。因此，技術如何本地化、工程與技術如何結合、銷售與技術的綜合型人才培養(yǎng)則是業(yè)界應該關注的大問題。由此可知，市場需要廠家和工程商共同努力培育，相互了解才能更快更好的發(fā)展。
結 語
寬動態(tài)技術是一個非常實用的攝像機功能，兩種不同的技術競爭將會促進寬動態(tài)攝像機技術更加精益求精。在未來的發(fā)展道路上，無論哪種技術更勝一籌，考慮用戶的需求才是最符合市場的。總之，寬動態(tài)成為每一款攝像機的必備功能一直是用戶的心聲。因此，唯有寬動態(tài)技術自身的不斷提升和廣泛推廣及應用，才能實現(xiàn)這個目標，從而走進千家萬戶。
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