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宽动态监控摄像机介绍

         宽动态摄像机技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。在一些明暗反差过大的场合,一般的摄像机由于CCD的感光特性所限制,摄取的图像往往出现背景过亮或前景太暗的情况。针对这种情况,宽动态技术应运而生,较好地解决了这一问题。
 
    特点
 
    常规摄像机视场中的物体在亮度较高的背景光时,需要看门口或窗外的物体,通常采用中央背光补偿(BLC)模式,它主要是靠提升视场中央部分的亮度、降低视场四周部分的亮度来达到看清位于中央位置内物体的目的。
 
汉邦高科
 
    背光补偿,也称为逆光补偿,是把画面分成几个不同的区域,每个区域分别曝光。在某些应用场合,视场中可能包含一个很亮的区域,而被包含的主体则处于亮场的包围之中,画面一片昏暗,无层次。此时由于AGC检测到的信号电平并不低,因此放大器的增益很低,不能改进画面主体的明暗度,当引入逆光补偿时,摄像机仅对整个视场的一个子区域进行检测,通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低,AGC放大器会有较高的增益,使输出信号的幅值提高,从而使监视器上的主体画明朗,大大降低背景画面与主体画面的主观亮度差,整个视场的可视性得到改善.逆光补偿虽然改善了拍摄主体的亮度,但是图像质量或多或少会劣化下降。
 
    而宽动态这一技术是同一时间曝光两次,一次快,一次慢,再进行合成使得能够同时看清画面上亮与暗的物体。虽然二者都是为了克服在强背光环境条件下,看清目标而采取的措施,但背光补偿是以牺牲画面的对比度为代价的,所以从某种意义上说,宽动态技术是背光补偿的升级。
 
    概念
 
    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。
 
    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。
 
    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。
 
    测试
 
    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。
 
    应用
 
    宽动态摄像机主要应用是在光线环境还算理想的情况下,却无法获取目标物体的细节。也就是说,宽动态技术大多应用在明暗交替的地方,当监控摄像机还无法达到低照度监控时,需采用宽动态技术进行“补光”。在监控摄像机应用上来说,普通摄像机监控获取的是背景清晰但是前景较暗的图像,而采用宽动态摄像机能够获取前景和背景都清晰的图像。
 
    高速公路收费系统
 
    低照度、宽动态摄像机用于道路监控的重点是高速公路收费监控系统,主要是对收费站的车道、收费广场、收费亭的收费情况,对收费车道通过的车辆类型、收费员的操作过程以及收费过程中的突发事件和工地监控特殊事件进行观察和记录,实施有效的监督。尤其是在晚上,收费站工作人员需要看清车牌,而一般情况下,车灯打开后,路上的环境照度与车牌的照度形成了一定的动态范围,传统摄像机难以“看清”,所以对低照度、宽动态摄像机有了需求。
 
    电子警察系统
 
    通过闭路电视监控和闯红灯自动摄录等手段,提高指挥中心的直观性、实时调动能力和对交通事故、意外事件的响应能力,以及增强查处违章的客观性,并对控制区域进行全面协调控制,提高车辆的通行能力。由于需要看清车牌,24小时监控,所以对低照度,宽动态摄像机有需求。
 
    城市商业街
 
    城市商业街中也有一定的应用,用以掌握一些繁华路口的交通情况,路段周围车辆的运行情况,行人的流量情况和交通治安情况等问题。
 
    银行:银行自动门门口,以及ATM玻璃门的门口处监控。

 

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