由于自然光線的排列是從120000Lux到星光夜里的0.00035Lux，室內照度為100Lux，而外面風景的照度可能是10000Lux，因此當攝像機從室內看窗戶外面，兩者對比就是10000/100=100∶1。這個對比人眼能很容易地看到，因為人眼能處理1000∶1的對比度，但傳統(tǒng)的安防監(jiān)控攝像機則不行，因為它只有3∶1的對比性能。

    因此，在出現(xiàn)明暗反差較大或逆光的場景應用安防監(jiān)控攝像機時，會使整個圖像中明亮的區(qū)域曝光過度、較暗的區(qū)域曝光不足，而看不清圖像最亮與最暗部分。如在銀行儲蓄所、重要場所出入口等。因為從窗外射入的強光和從天花板上的熒光燈照射的柔和光線都可能對當時室內外景象的捕獲造成困難，不能同時將反差很大的室內外場景清晰地拍攝下來。其所拍攝圖像會出現(xiàn)背景過亮前景過暗，或背景清晰前景過暗及前景適合背景過亮的情況。最早的解決方法，一般會采用背光補償技術或在室內外架設兩臺攝像機來適應較大的光線反差，但效果不理想。擴展動態(tài)范圍的技術隨之應運而生，即現(xiàn)今所說的寬動態(tài)WDR(WideDynamicRange)技術。

　　松下從1977年首推第一代寬動態(tài)CCD攝像機起;到1999年又推出了第二代;2003~2008年再次推出第三代超級動態(tài)CCD攝像機。在此期間，索尼、JVC、三星等也相繼推出了自已的寬動態(tài)CCD攝像機。至今，在安防監(jiān)控領域一次又一次的技術改革中，帶動了安防產業(yè)的飛速發(fā)展。

　　CCD寬動態(tài)技術是采用特殊DSP(數(shù)字信號處理)電路，對明亮部分進行最合適的快門速度曝光，其后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，然后將兩個圖像進行DSP處理重新組合，使明亮的部分和黑暗的部分皆可看清。這種160倍動態(tài)范圍技術雖具有大的寬動態(tài)，實現(xiàn)圖像灰度的優(yōu)化等優(yōu)點，但其對DSP性能(特別是處理速度)要求很高。目前，由于CCD的特性限制，即便采用多次曝光取樣方式，攝像機的寬動態(tài)范圍也只能到66dB。

　　顯然，由于CCD的感光特性限制，在技術上很難再有重大突破，而CMOS攝像機由于其圖像傳感器本身的優(yōu)異性能，或有突出的表現(xiàn)。如一般的線性輸出模式的動態(tài)范圍就可達40~60dB;加拿大Dalsa公司采用線性-對數(shù)輸出模式的IM28-SA型CMOS攝像機，其動態(tài)范圍就可高達120dB;Apical有限公司結合Altera的CycloneIII和CycloneIVFPGA，利用AptinaMT9M033720pWDRCMOS圖像傳感器也推出了明亮部分和暗的部分都看得清楚的CMOS寬動態(tài)攝像機;美國PIXIM公司開發(fā)了CMOS-DPS技術，其芯片組從D1000、D1500、D2000到D2500在性能上有了飛速提高：其圖像清晰度從480線提升到540線以上;最低照度從1.0Lux/F1.2到0.5Lux/F1.2;典型寬動態(tài)范圍從95dB到120dB。據(jù)消息透露，有的CMOS的寬動態(tài)技術甚至已能達到160dB。因此可預見，未來的監(jiān)控攝像機屬于寬動態(tài)攝像機，而寬動態(tài)技術則屬于CMOS。

　　目前，在全球市場上，有50多個國家約100種類型的寬動態(tài)攝像機投入實際應用，然而其中多數(shù)攝像機制造商皆采用了Pixim的DPS技術。這是因為DPS芯片的核心技術是在每一個像素里有ADC。也就是在準確的捕捉點上，光信號被轉化成數(shù)字信號。這樣做的好處是使像素間沒有串擾和沒有信號損失。這也意味著噪波大大降低并形成了一個超級動態(tài)范圍，這樣就避免了垂直光斑的產生。如日本池上廣播級攝像機低垂直光斑達到-135dB，是所有廣播級攝像機這項指標最好的。圖1就是日本池上基于低垂直光斑和PiximDPS技術的CMOS寬動態(tài)攝像機ISD-A10和普通CCD攝像機拍攝車燈時低垂直光斑效果圖。

　　對CCD攝像機來說，光斑是CCD傳感器的一個特性，在傳感器中沒有任何東西可以阻止強光穿射的曝光和在CCD上產生更多的電子，結果是在圖像中強烈的光出現(xiàn)時通常垂直斑紋也出現(xiàn)，在圖像中遮蓋了相關的細節(jié)。實際使用中，很多具有低垂直光斑攝像機使用ITCCD芯片來減少光斑的數(shù)量，因為IT芯片能提供的更多好處在于高的信噪比和較低光斑。

　　目前，市場上寬動態(tài)攝像機很多，但如何檢測其寬動態(tài)性能，是工程商等應用人員急需了解的。本文介紹攝像機動態(tài)范圍的基本概念，重點介紹國外三大廠商各自對監(jiān)控攝像機動態(tài)范圍的具體測試方法，供工程商等應用人員測試選用參考。

攝像機動態(tài)范圍的基本概念

　　所謂寬動態(tài)實際是指攝像機同時可以看清楚圖像最亮與最暗部分的照度比值。而“動態(tài)范圍”廣義上說是指某一變化事物可能改變的跨度，即其變化值的最低端極點到最高端極點之間的區(qū)域，此區(qū)域的描述一般為最高點與最低點之間的差值。攝像機的“動態(tài)范圍”是指攝像機對拍攝場景中景物光照反射的適應能力，具體指亮度(反差)及色溫(反差)的變化范圍。即表示攝像機對圖像的最“暗”和最“亮”的調整范圍，是靜態(tài)圖像或視頻幀中最亮色調與最暗色調的比值。而色調能呈現(xiàn)出圖像或幀中的精準細節(jié)，作為兩種色調的比值，動態(tài)范圍的單位可以是分貝、比特、檔，或者簡單以比率或倍數(shù)來表示。各種單位之間的換算方法如表1所示。

 

　　表1  動態(tài)范圍各單位之間的換算方法

　　表1僅列出了20檔動態(tài)范圍，因為這幾乎涵蓋了人眼所能分辨的所有動態(tài)范圍，超過這些檔位的動態(tài)范圍已沒有太大的實際意義。人眼之所以能分辨出跨度如此之廣的動態(tài)范圍，是因為人在觀察實景時，瞳孔、虹膜、視網(wǎng)膜和相關肌肉會相互作用、動態(tài)調整，同時，大腦會將所有“曝光元素”整合為一幅連貫的圖像，極其精準地反映出實景中十分明亮或十分暗淡的色調。

　　與人眼相比，對于標準CCD和CMOS圖像傳感器來說，所有感光單元的曝光(收集光子)時間都是相同的。感光單元對景物明亮部分收集的光子較多，對陰暗部分收集的光子則較少。但是，感光單元能夠收集的光子數(shù)量卻受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調的感光單元有可能會溢出或飽和。為防止出現(xiàn)這種情況，可以減少曝光時間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調的感光單元可能又無法收集到足夠多的光子。因此，對于典型的單次曝光的圖像傳感器，其動態(tài)范圍的上限受制于感光單元的阱容量，下限則受制于感光單元的信噪比。因此，CCD攝像器件的動態(tài)范圍是指其輸出的飽和電壓與暗場下噪聲峰-峰電壓之比，即

　　動態(tài)范圍=Usat/UNp-p(1)

　　(1)式中，Usat為輸出飽和電壓;UNP-P為噪聲的峰-峰值。

　　顯然，動態(tài)范圍也可這樣來定義和計算，即由CCD勢阱中可存貯的最大電荷量和噪聲所決定的電荷量之比;其數(shù)值也是輸出端的信號峰值電壓與均方根噪聲電壓之比(通常用dB表示)，即

　　動態(tài)范圍=USp-p/UNp-p(2)式(2)USp-p為輸出信號峰值電壓。

　　因此，寬動態(tài)就是場景中特別亮的部位和特別暗的部位同時都能看得特別清楚，寬動態(tài)范圍就是圖像能分辨最亮的亮度信號值與能分辨的最暗的亮光信號值的比值。

　　顯然，確定攝像機成像器的動態(tài)范圍的方法主要有兩種：一種是使用傳感器和圖像處理器中基本電路的相關信息由上述公式計算得出;另一種是使用灰階測試卡和實驗儀器來收集和觀察圖像，并測量影像級別的方法得出。盡管采用計算的方法可在理論上算出動態(tài)范圍的極限值，但通常人們還是傾向于使用測量的方法，因為它能反映用戶對攝像機成像效果的實際體驗。下面就具體介紹國外三大廠家對攝像機動態(tài)范圍的實際測試方法。

　　JVC的動態(tài)范圍測試方法

　　對攝像機動態(tài)范圍的測試方法可能不盡相同，但其測試原理大同小異，這里介紹JVC的一種基本測試方法如下：

　　測試攝像機動態(tài)范圍所需的設備及條件