探究:寬動(dòng)態(tài)監控攝像機的優(yōu)點(diǎn)及局限性

　　1什么是動(dòng)態(tài)范圍

　　寬動(dòng)態(tài)范圍攝像機正迅速成為視頻監控的主流。然而，對于寬動(dòng)態(tài)范圍(WDR)的確切概念仍然存在許多訛傳和誤解。本文將從動(dòng)態(tài)范圍的含義及其如何影響圖像質(zhì)量的角度，討論了寬動(dòng)態(tài)攝像機的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

　　什么是動(dòng)態(tài)范圍

　　根據標準定義，動(dòng)態(tài)范圍是指變量(如光或聲音)的最大值和最小值的比值。在理解和應用動(dòng)態(tài)范圍這一概念方面存在的核心困難在于如何進(jìn)行測量。

　　設想這樣一個(gè)任務(wù)：用一個(gè)桶測量降雨量。下大雨時(shí)，桶中的水很快就會(huì )溢出，這樣便無(wú)法確定降雨量的最大值：測量結果會(huì )根據桶的容量進(jìn)行修剪。下小雨時(shí)，在一個(gè)測量間隔內，桶內可能只滴入一滴雨，在另一個(gè)測量間隔內，可能只滴入兩滴雨，最小值無(wú)法確定或受噪波干擾。要增加小值讀數的精度，就需要增加集時(shí)間，但這種做法對于大值并不適用，會(huì )導致溢出。

　　這個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明測量結果實(shí)際上就是信息通道：它可以傳遞、丟失或誤報關(guān)于變量的信息——到達上限、到達下限或同時(shí)到達兩端。

　　設想將視頻攝像機用作測量?jì)x器。它可測量照射在其數百萬(wàn)個(gè)光敏元件(即像素陣列)中每個(gè)元件上以二維陣列排列的光量。每個(gè)像素陣列對一段時(shí)間內接收的光子流進(jìn)行積分運算，然后將其轉化為可讀取的電子信號。如果來(lái)自某場(chǎng)景的光子流很強，或者如果積分時(shí)間很長(cháng)，信號可能會(huì )達到限制而飽和(修剪)。結果導致與場(chǎng)景明亮區域的細部相對應所有的亮度變化會(huì )丟失。同樣，如果場(chǎng)景的光子流很弱，或者如果積分時(shí)間很短，信號會(huì )產(chǎn)生不確定、帶噪波的讀數，場(chǎng)景的所有細部都會(huì )丟失。

　　與任何信息渠道一樣，視頻攝像機的質(zhì)量可通過(guò)其傳達信息(即展示場(chǎng)景的亮度變化)的優(yōu)越程度來(lái)判斷。尤其是，攝像機是否能夠不作修剪即可捕捉場(chǎng)景明亮處的細微變化?是否能夠捕捉背光處的細微變化而不任其淹沒(méi)在噪波中?同時(shí)在動(dòng)態(tài)范圍的兩端捕捉場(chǎng)景細部的功能如何?這些問(wèn)題的答案，既取決于場(chǎng)景自身的動(dòng)態(tài)范圍，也取決于如何對作為測量?jì)x器的攝像機的動(dòng)態(tài)范圍功能進(jìn)行比較。通常，如果場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍與攝像機相同或比攝像機窄，產(chǎn)生的圖像會(huì )忠實(shí)地傳達場(chǎng)景背光處和明亮處的細部，不會(huì )有噪波，也不修剪。如果場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍較寬，攝像機會(huì )因噪波過(guò)大而修剪明亮處的細部，或屏蔽背光處的細部，也可能會(huì )同時(shí)修剪這兩個(gè)部位。

　　如何不受攝像機自身功能的影響，對場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行單獨評估呢?這可通過(guò)不同曝光時(shí)間的多個(gè)場(chǎng)景捕捉圖像分段進(jìn)行。超長(cháng)曝光可顯示背光處的細部，然而會(huì )在明亮處達到飽和。很短的曝光可顯示明亮處的細部，而將背光部淹沒(méi)在噪波基底中。顯示背光處的細部所需的最長(cháng)曝光時(shí)間與顯示明亮處的細部所需的最短曝光時(shí)間的比值能可靠地評估場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍。

　　為什么動(dòng)態(tài)范圍受到限制

　　為什么攝像機的動(dòng)態(tài)范圍功能受到限制?動(dòng)態(tài)范圍限制源于多種原因，主要是圖像傳感器的感光像素陣列的物理性質(zhì)。設想兩個(gè)相同的圖像傳感器，只是感光像素陣列的面積大小及其相關(guān)的井位能不同，哪個(gè)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍更寬?答案是：具有更大像素陣列的那個(gè)。由于井位能較大，場(chǎng)景范圍上部的光通量很強，不會(huì )像較小的像素那么容易達到飽和。場(chǎng)景范圍底部幾乎沒(méi)有光子，較大的感光像素陣列面積可采集較多的光子，并降低小值讀數的不準確度(即噪波)。

　　增大感光像素陣列的尺寸以實(shí)現更寬動(dòng)態(tài)范圍的需要，將感光像素陣列制造得更小以提高空間分辨率的需要，二者之間的沖突始終存在。通常，由于像素陣列尺寸小而名義上較高的空間分辨率受到窄動(dòng)態(tài)范圍的嚴重拖累，從而導致噪波或修剪，或者兩種后果同時(shí)存在。

　　噪波屏蔽包含背光處精細圖像細部的微小信號變化，而修剪則消除了明亮處的細部。成像的時(shí)間因素也促成了動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率之間的沖突——視域范圍內的物體可能在移動(dòng)，從而導致運動(dòng)模糊。運動(dòng)模糊是降低空間分辨率的因素，因為它會(huì )使移動(dòng)物體在多個(gè)相鄰像素之間變得模糊。降低運動(dòng)模糊需要更短的積分時(shí)間，但反過(guò)來(lái)增加了測量噪波。通過(guò)屏蔽細微的信號變化，噪波也損害了空間分辨率。簡(jiǎn)而言之，由于小尺寸像素陣列的動(dòng)態(tài)范圍窄，運動(dòng)模糊以及試圖降低運動(dòng)模糊的措施，導致有效傳感器分辨率可能比標清分辨度低。

　　2這是比值，而不是絕對范圍

　　這是比值，而不是絕對范圍

　　動(dòng)態(tài)范圍這一概念的一個(gè)重要屬性就是它被定義為一個(gè)比值而不是絕對值。這意味著(zhù)，具有相同動(dòng)態(tài)范圍的不同場(chǎng)景可能具有完全不同的平均亮度或絕對范圍。通過(guò)攝像機的光圈(用于限制照射到圖像傳感器的光量)，上移或下移范圍可產(chǎn)生同樣的效果。因此，對于不同的絕對范圍和不同的光圈，指定支持特定動(dòng)態(tài)范圍的攝像機會(huì )產(chǎn)生不同的結果，這是因為其自身的功能確實(shí)具有絕對限制，主要由于其像素陣列的物理尺寸。尤其是，對于一個(gè)具有給定動(dòng)態(tài)范圍但平均亮度較低(或光圈較小)的場(chǎng)景，即使攝像機完全支持該動(dòng)態(tài)范圍，也可能會(huì )產(chǎn)生更多噪波;而對于范圍上移(或光圈較大)的場(chǎng)景中，可能會(huì )產(chǎn)生修剪，而且在中端可能會(huì )產(chǎn)生潛在的額外噪波，為寬動(dòng)態(tài)攝像機所特有。

　　需要指出的是，光圈大小(用于限制照射到傳感器的光量)也會(huì )影響景深，即在清晰度可接受情況下場(chǎng)景中最近和最遠物體之間的距離。因此，希望讓更多光線(xiàn)照射到傳感器(這有助于降低圖像噪波和運動(dòng)模糊)的需要，與獲得更清晰圖像的需要之間存在著(zhù)沖突。鮮為人知的是，不僅光圈的大小很重要，其形狀也很重要。從其通過(guò)的空間頻率功率譜的角度來(lái)說(shuō)，傳統的圓形光圈并非最佳形狀。圓形光圈的功率譜包含多個(gè)零交點(diǎn)，這些零交點(diǎn)基本上能夠從場(chǎng)景中過(guò)濾出一些內容。有少量傳統形狀的光圈可以產(chǎn)生更好的空間響應，甚至可以容許更多的光線(xiàn)照射到傳感器上，但是，使用這些光圈需要在圖像處理時(shí)進(jìn)行大量額外的運算。

　　多次曝光法

　　是否可以采取什么辦法來(lái)突破圖像傳感器的那些束縛了攝像機動(dòng)態(tài)范圍的物理限制?幸運的是，答案是肯定的。最常用的方法是多次曝光法：以不同曝光時(shí)間(快門(mén)速度)捕捉兩張或更多快照，然后合成為一張單獨的寬動(dòng)態(tài)范圍圖像。較短的曝光可顯示明亮處的場(chǎng)景細部而丟失了背光處的細部;較長(cháng)的曝光可顯示背光處的細部而對明亮處過(guò)度曝光。由此產(chǎn)生的寬動(dòng)態(tài)圖像由來(lái)自快速快門(mén)和慢速快門(mén)圖像的像素組成：快速快門(mén)圖像的像素主要來(lái)自場(chǎng)景的較亮部分，而慢速快門(mén)圖像的像素主要來(lái)自較暗部分。大部分寬動(dòng)態(tài)攝像機使用雙快門(mén)法，有一些使用三快門(mén)和四快門(mén)技術(shù)來(lái)實(shí)現更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

　　技術(shù)難點(diǎn)在于：選擇多個(gè)單獨曝光時(shí)間，并將多張單獨快照合成一張寬動(dòng)態(tài)圖像。選擇快速快門(mén)時(shí)間的總體目標是避免明亮處的修剪，而在場(chǎng)景的較亮部分使信噪比達到最大值。隨著(zhù)攝影機調整快速快門(mén)的速度，修剪可通過(guò)圖像直方圖由攝影機內置的自動(dòng)曝光算法自動(dòng)確定。同樣，選擇慢速快門(mén)速度時(shí)，目標是防止暗處修剪(修剪會(huì )在背光處產(chǎn)生噪波)。

　　盡管這種方法看上去簡(jiǎn)單明了，但還需要考慮那些不太明顯的因素。例如，根據場(chǎng)景本身的情況，由快速快門(mén)曝光所捕捉的場(chǎng)景的較亮部分也可能包含了一些不太亮的區域，但這些區域不夠暗，在最終的寬動(dòng)態(tài)圖像中，不會(huì )被來(lái)自慢速快門(mén)圖像的像素取代。同樣，捕捉較暗區域的慢速快門(mén)圖像可能包含一些不太暗的場(chǎng)景片段，這些片段又不夠亮，在合成圖像中不能夠被快速快門(mén)的像素所取代。結果，場(chǎng)景的這些中間區域可能沒(méi)有獲得足夠的曝光——在慢速快門(mén)圖像中曝光時(shí)間太長(cháng)，可能會(huì )導致這些區域的過(guò)度曝光;在快速快門(mén)圖像中曝光時(shí)間太短，可能會(huì )在受影響區域產(chǎn)生過(guò)量噪波。這些曝光現象對最終寬動(dòng)態(tài)圖像的影響體現其自身的信噪比不連續，在動(dòng)態(tài)范圍中部表現為噪波過(guò)量區域。

　　寬動(dòng)態(tài)成像的局限性

　　需要指出的是，在一些大規模生產(chǎn)的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)中，由于某些技術(shù)和成本的限制，可供選擇使用的快門(mén)比值非常有限。因此，由于選擇不適當的快門(mén)比值而產(chǎn)生的問(wèn)題難以解決，使得噪波和其他現象很大程度上取決于場(chǎng)景本身。

　　寬動(dòng)態(tài)成像的另一個(gè)局限性與運動(dòng)現象有關(guān)。由于快門(mén)速度不同，在兩張(或更多)構成合成寬動(dòng)態(tài)圖像的單獨快照中，捕捉圖像時(shí)場(chǎng)景的移動(dòng)部分會(huì )出現在不同的位置。例如，設想一個(gè)暗色物體從背景明亮的場(chǎng)景中通過(guò)。如果物體是靜止的，在合成寬動(dòng)態(tài)圖像中的暗像素會(huì )來(lái)自慢速快門(mén)圖像，而周?chē)喞獣?huì )來(lái)自快速快門(mén)圖像。但是，由于物體在移動(dòng)，它在快速快門(mén)圖像中輪廓與其在慢速快門(mén)圖像中的輪廓不匹配。因此，必須做出決定，如何彌補這種不匹配。在運動(dòng)伴有運動(dòng)模糊的情況下，因為會(huì )產(chǎn)生處于物體和背景之間的亮度值，做決定會(huì )變得特別困難。就彩色寬動(dòng)態(tài)成像而言，除非在圖像處理中采取特殊的運算措施，運動(dòng)現象可能會(huì )在移動(dòng)物體周?chē)a(chǎn)生明亮的彩色輪廓。此外，出現過(guò)量的暫時(shí)噪波時(shí)，還會(huì )導致類(lèi)似運動(dòng)的現象，結果會(huì )產(chǎn)生彩色噪波圖。在寬動(dòng)態(tài)中抑制運動(dòng)現象的措施稱(chēng)為運動(dòng)補償。運動(dòng)補償可能會(huì )產(chǎn)生視覺(jué)現象，特別是在捕捉包含非常明亮的人工照明區域的寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景時(shí)。主要使用快速快門(mén)來(lái)捕捉場(chǎng)景的明亮區域。如果快速快門(mén)的時(shí)間比人工照明半周期(在使用60Hz的國家為8.33ms，在使用50Hz的國家為10ms)的時(shí)間短，在快速和慢速快門(mén)圖像之間會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的局部亮度變化。這些變化可能會(huì )被攝影機內置的運動(dòng)補償誤認為是合法運動(dòng)，從而導致視覺(jué)現象。在這種情況下，禁用運動(dòng)補償可能是一種合理的解決方案。

　　3在電視監控器上顯示寬動(dòng)態(tài)視頻

　　在電視監控器上顯示寬動(dòng)態(tài)視頻

　　對于在電視監控器上顯示寬動(dòng)態(tài)范圍視頻方面是否有什么需要特殊考慮的問(wèn)題?答案是肯定的，通常監控器無(wú)法顯示寬動(dòng)態(tài)范圍視頻圖像，它們受動(dòng)態(tài)范圍的限制，該動(dòng)態(tài)范圍比典型的寬動(dòng)態(tài)攝像機要窄200-300倍。幸運的是，對此已有解決方案：通過(guò)利用人類(lèi)視覺(jué)眾多特性之一來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，該方案更看重局部對比度的變化，而不看重構成整個(gè)場(chǎng)景的大區域之間的全局變化。要利用這一解決方案，要對寬動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行非線(xiàn)性圖像處理(即色調映射)，該過(guò)程會(huì )重新分配像素亮度值，在保持局部對比度的同時(shí)，降低全局對比度。設想一個(gè)典型的寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，在此場(chǎng)景中，明亮部分與明亮的戶(hù)外場(chǎng)景相對應，而背光部分與室內空間相對應。如果大大縮小戶(hù)外區域的整體亮度范圍，使其更接近于較暗的室內區域的整體亮度范圍，同時(shí)在兩個(gè)區域保持局部亮度差異，場(chǎng)景的整體外觀(guān)會(huì )保持完全可以被人眼所接受，而圖像可以在監控器上顯示。

　　色調映射和多快門(mén)圖像捕捉

　　需要指出的是，融合了多快門(mén)圖像捕捉的色調映射是一種高度非線(xiàn)性過(guò)程，對于場(chǎng)景相對微小的變化，也可能會(huì )在寬動(dòng)態(tài)圖像外觀(guān)上產(chǎn)生顯著(zhù)的差異。這使其在

　　對不同的寬動(dòng)態(tài)攝像機的性能進(jìn)行比較時(shí)特別具有挑戰性，而且需要掌握大量的技術(shù)知識。尤其是，必須注意確保視域(包括其縱橫比)完全一樣，光圈要相同。此外，重要的是始終注意查看所捕捉的整體寬動(dòng)態(tài)圖像，而不是查看捕捉后的修剪片斷，例如，只顯示明亮區域。這是因為，根據寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景其余部分的情況，明亮區域的外觀(guān)在總對比度、噪波含量和亮度方面可能完全不同。如果完整場(chǎng)景中存在大片暗區域，通過(guò)色調映射和多曝光圖像捕捉處理之后，與不存在大片暗區域的場(chǎng)景相比，明亮區域的外觀(guān)在最終對比度、亮度和噪波方面會(huì )發(fā)生顯著(zhù)改變。遺憾的是，展示捕捉之后經(jīng)過(guò)修剪的寬動(dòng)態(tài)圖像已經(jīng)成為一種普遍的做法，這將導致無(wú)法判斷攝像機性能。

　　最后要指出的是，在通過(guò)多傳感器全景寬動(dòng)態(tài)攝像機實(shí)現統一的全景圖像外觀(guān)時(shí)，色調映射和多曝光圖像捕捉的組合效果特別具有挑戰性。單獨的圖像傳感器所捕捉的場(chǎng)景相鄰部分在亮度、噪波和對比度方面可能可能看上去完全不同，這是因為對于不同的傳感器，場(chǎng)景內容發(fā)生了輕微的變化。為了得到更一致的全景圖像，往往有必要犧牲一些多傳感器攝像機通道的動(dòng)態(tài)范圍，或另外執行復雜的后期處理，從而使所產(chǎn)生的多張寬動(dòng)態(tài)圖像的外觀(guān)相同。寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的明亮部分與戶(hù)外的明亮場(chǎng)景相對應，而背光部分與室內空間相對應。如果大大縮小戶(hù)外區域的整體亮度范圍，使其更接近于較暗的室內區域的整體亮度范圍，同時(shí)在兩個(gè)區域保持局部亮度差異，場(chǎng)景的整體外觀(guān)會(huì )保持完全可以被人眼所接受，而圖像可以在監控器上顯示了。

　　比較寬動(dòng)態(tài)攝像機的性能

　　需要指出的是，融合了多快門(mén)圖像捕捉的色調映射是一種高度非線(xiàn)性過(guò)程，對于場(chǎng)景相對微小的變化，也可能會(huì )在寬動(dòng)態(tài)圖像外觀(guān)上產(chǎn)生顯著(zhù)的差異。這使其在對不同的寬動(dòng)態(tài)攝像機的性能進(jìn)行比較時(shí)特別具有挑戰性，而且需要掌握大量的技術(shù)知識。尤其是，必須注意確保視域(包括其縱橫比)完全一樣，光圈要相同。此外，重要的是始終注意查看所捕捉的整體寬動(dòng)態(tài)圖像，而不是查看捕捉后的修剪片斷，例如，只顯示明亮區域。這是因為，根據寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景其余部分的情況，明亮區域的外觀(guān)在總對比度、噪波含量和亮度方面可能完全不同。如果完整場(chǎng)景中存在大片暗區域，通過(guò)色調映射和多曝光圖像捕捉處理之后，與不存在大片暗區域的場(chǎng)景相比，明亮區域的外觀(guān)在最終對比度、亮度和噪波方面會(huì )發(fā)生顯著(zhù)改變。遺憾的是，展示捕捉之后經(jīng)過(guò)修剪的寬動(dòng)態(tài)圖像已經(jīng)成為一種普遍的做法，這將導致無(wú)法判斷攝像機性能。

　　全景寬動(dòng)態(tài)

　　在通過(guò)多傳感器全景寬動(dòng)態(tài)攝像機實(shí)現統一的全景圖像外觀(guān)時(shí)，色調映射和多曝光圖像捕捉的組合效果特別具有挑戰性。單獨的圖像傳感器所捕捉的場(chǎng)景相鄰部分在亮度、噪波和對比度方面可能看上去完全不同，這是因為對于不同的傳感器，場(chǎng)景內容發(fā)生了輕微的變化造成的。為了得到更一致的全景圖像，往往有必要犧牲一些多傳感器攝像機通道的動(dòng)態(tài)范圍，或另外執行復雜的后期處理，從而使所產(chǎn)生的多張寬動(dòng)態(tài)圖像的外觀(guān)相同。