探究:寬動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的優(yōu)點(diǎn)及局限性

成都弱電公司訊：

寬動(dòng)態(tài)范圍攝像機(jī)正迅速成為成都視頻監(jiān)控的主流。然而，對(duì)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(jī)的長處和局限性。

什么是動(dòng)態(tài)范圍

根據(jù)尺度定義，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(yīng)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(shè)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，這樣便無法確定降雨量的最大值：測量結(jié)果會(huì)根據(jù)桶的容量進(jìn)行修剪。下小雨時(shí)，在一個(gè)測量間隔內(nèi)，桶內(nèi)可能只滴入一滴雨，在另一個(gè)測量間隔內(nèi)，可能只滴入兩滴雨，最小值無法確定或受噪波干擾。要增加小值讀數(shù)的精度，就需要增加集時(shí)間，但這種做法對(duì)于大值并不適用，會(huì)導(dǎo)致溢出。

這個(gè)簡樸的例子說明測量結(jié)果實(shí)際上就是信息通道：它可以傳遞、丟失或誤報(bào)關(guān)于變量的信息——到達(dá)上限、到達(dá)下限或同時(shí)到達(dá)兩端。

設(shè)想將視頻攝像機(jī)用作測量儀器。它可測量照射在其數(shù)百萬個(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(duì)一段時(shí)間內(nèi)接收的光子流進(jìn)行積分運(yùn)算，然后將其轉(zhuǎn)化為可讀取的電子信號(hào)。假如來自某場景的光子流很強(qiáng)，或者假如積分時(shí)間很長，信號(hào)可能會(huì)達(dá)到限制而飽和(修剪)。結(jié)果導(dǎo)致與場景明亮區(qū)域的細(xì)部相對(duì)應(yīng)所有的亮度變化會(huì)丟失。同樣，假如場景的光子流很弱，或者假如積分時(shí)間很短，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不確定、帶噪波的讀數(shù)，場景的所有細(xì)部都會(huì)丟失。

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

如何不受攝像機(jī)自身功能的影響，對(duì)場景的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行單獨(dú)評(píng)估呢？這可通過分歧曝光時(shí)間的多個(gè)場景捕捉圖像分段進(jìn)行。超長曝光可顯示背光處的細(xì)部，然而會(huì)在明亮處達(dá)到飽和。很短的曝光可顯示明亮處的細(xì)部，而將背光部淹沒在噪波基底中。顯示背光處的細(xì)部所需的最長曝光時(shí)間與顯示明亮處的細(xì)部所需的最短曝光時(shí)間的比值能可靠地評(píng)估場景的動(dòng)態(tài)范圍。

為什么動(dòng)態(tài)范圍受到限制

為什么攝像機(jī)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(shè)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)的井位能分歧，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，場景范圍上部的光通量很強(qiáng)，不會(huì)像較小的像素那么容易達(dá)到飽和。場景范圍底部幾乎沒有光子，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(shù)的不準(zhǔn)確度(即噪波)。

增大感光像素陣列的尺寸以實(shí)現(xiàn)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(yán)重拖累，從而導(dǎo)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(xì)圖像細(xì)部的微小信號(hào)變化，而修剪則消除了明亮處的細(xì)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(nèi)的物體可能在移動(dòng)，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)模糊。運(yùn)動(dòng)模糊是降低空間分辨率的因素，因?yàn)樗鼤?huì)使移動(dòng)物體在多個(gè)相鄰像素之間變得模糊。降低運(yùn)動(dòng)模糊需要更短的積分時(shí)間，但反過來增加了測量噪波。通過屏蔽細(xì)微的信號(hào)變化，噪波也損害了空間分辨率。簡而言之，由于小尺寸像素陣列的動(dòng)態(tài)范圍窄，運(yùn)動(dòng)模糊以及試圖降低運(yùn)動(dòng)模糊的措施，導(dǎo)致有效傳感器分辨率可能比標(biāo)清分辨度低。