傳統CCD攝像機在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，因此必然會出現對整個圖像中明亮的區域曝光過度、或較暗的區域欠曝光的現象。而在安防監控攝像機的應用過程中，又經常會出現明暗反差較大或逆光的場景。出于安全考慮，CCD攝像機被安裝在需要監控的室內外，由于在同一位置往往會面臨多種照明條件，很多地方照明條件分為日光和人工照明的混合光，并在不同時段下出現明暗反差非常大、背光等情況，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。所拍攝圖像會出現背景過亮前景過暗，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放置兩臺攝像機來適應較大的光線反差，但效果不是非常理想，從而誕生了寬動態技術。
在安防監控領域，所謂攝像機寬動態，即WDR(Wide Dynamic Range)，實際上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。因此，寬動態攝像機的動態范圍，就是表示攝像機對圖像的最“暗”和最“亮”的調整范圍。攝像機的動態范圍越大，圖像所表現的圖層就越豐富、清晰，當然圖像的色彩空間就更廣，也就是寬動態攝像機適應逆光環境的能力也更大。寬動態技術從1977年松下首推第一代寬動態攝像機至今，在安防監控領域一次又一次的技術改革，帶動了安防產業的飛速發展。
1999～2002年，松下推出了第二代寬動態攝像機，其動態范圍可以比普通攝像機高出80倍。它通過增強的數字處理技術提取兩幅畫面中圖像質量較好的部分加以合成，來得到清晰的畫面。這時圖像的噪點小，可以編程設置;但對DSP性能要求高，色彩還原差，對移動目標效果還不是很理想。
2003～2008年，以松下為代表的廠商率先推出了第三代超級動態攝像機。該類攝像機采用了基于每個像素的160倍動態范圍技術，雙速CCD輸出信號的動態范圍增大，DSP中采用“不分區域的(基于每個像素的)自然對比度圖像校正”技術，能根據各像素輸入信號電平，實現圖像的灰度優化。此外，三星電子等廠商相繼推出了80倍的寬動態攝像機和160倍的寬動態攝像機。160倍動態范圍技術具有超大寬動態、色彩還原好等優點，但其對DSP性能(特別是處理速度)要求很高。
這種CCD寬動態技術是采用特殊DSP(數字信號處理)電路，對明亮部分進行最合適的快門速度曝光，然后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，之后將兩個圖像進行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚，這需要較高的技術使色彩和清晰度損失最小。由于掃描速度要提高一倍，所以需要雙速CCD和相應的DSP芯片進行支持，這也是寬動態CCD攝像機價格比較高的原因。
下面就介紹CCD攝像機擴展動態范圍的基本原理，4種擴展動態范圍的方法、性能比較，以及動態范圍的具體測試方法。
CCD攝像機擴展動態范圍的方法
目前，CCD攝像機擴展動態范圍的方法有如下4種：
1、單幀圖像兩次取樣方法
首先，利用成像器件CCD對監控場景進行第一次標準速度曝光(如用1/50s快門) ，將得到的第一幀圖像存儲到數據緩沖存儲器中;
其次，利用數字信號處理器DSP對送來的圖像數據進行分析，如圖像中較暗的部分曝光正常，而有部分曝光過度的區域(即高亮度區域)，就要進行亮度評估;
第三，根據亮度評估結果，再采用高速快門進行曝光(如1/2000s快門)，并將第二次拍攝的圖像也存儲到數據緩沖存儲器中;
最后，再利用DSP并通過其中嵌入的特有的圖像處理算法，將兩幅圖像中亮度適當的部分分別切割下來，在一幀新的圖像中合成起來即可。
此種方式就是所謂單幀圖像“兩次取樣方式”，或“兩次合成電子快門”。其典型特征則為基于中速感光器件及高速DSP的兩次取樣曝光及圖像分割合成技術。
2、單幀圖像多次取樣方法
首先，利用成像器件CCD對監控場景進行第一次標準速度曝光(如用1/50s快門)，將得到的第一幀圖像存儲到數據緩沖存儲器中;
其次，利用數字信號處理器DSP并通過特有的圖像處理算法，對送來的圖像數據進行分析，當圖像中較暗的部分曝光正常，對曝光過度的區域(即高亮度區域)，進行亮度評估;
第三，根據亮度評估結果，再采用高速快門進行曝光(如1/2000s快門)，并將第二次拍攝的圖像也存儲到數據緩沖存儲器中;
第四，根據對圖像的最暗區域至最亮區域的中間過渡范圍的整體評估，再對圖像進行三次中間層次的曝光，這樣又得到了三幀針對過渡范圍內亮度不同的曝光圖像;
最后，通過特有的圖像識別算法，將上述5幅圖像當中亮度適當的部分分別切割下來，再在一幀新的圖像中合成起來，完成并最終輸出滿意的圖像即可。
此種方式就是單幀圖像的“多次取樣方式”，或“五次合成電子快門”。其典型特征則為基于高速感光器件及高速DSP的多次取樣曝光及圖像分割合成技術。
3、對數壓縮放大方法
首先，利用成像器件CCD及標準測光/曝光控制電路對監控場景進行一次適當速度曝光，并將累計的電荷按照標準方式傳送到后端的前置放大器進行放大。接著，前置放大器在對圖像中亮度適當及較暗的區域進行放大時，采用接近線性的放大比(對數曲線的下端)，即隨著圖像亮度的提高而放大輸出，這樣放大器的放大比基本上是恒定的，以達到保持亮度適當及較暗區域的層次目的;前置放大器在對圖像中亮度較高的區域進行放大時，采用非線性(漸進斜率壓縮)的放大方式(對數曲線的上端)，即隨著圖像亮度的提高而相應降低放大器的放大比例，這樣放大器的放大比及輸出電平會漸進，但非常迅速地下降，以達到壓縮高亮度區域的目的。因此，使較暗區域的亮度適當，高亮度區域亮度壓縮，以輸出適中的圖像。
此種方式即“對數壓縮放大方式”，或“自動拐點取樣方式”。其典型特征則為基于普通感光器件單次曝光及非線性前置放大器的對數曲線放大方式。
4、輸出信號伽馬修正方法
首先，利用成像器件CCD及標準測光/曝光控制電路對監控場景進行一次適當速度曝光，并將得到的圖像存儲到數據緩沖存儲器中;
其次，通過所設計的模擬電路或利用DSP中特有的圖像處理算法，對圖像中的不同亮度層次進行取樣，并將接近的層次劃分成若干等級，其劃分的等級數在數字處理方式中取決于圖像的復雜程度及DSP的處理能力;
最后，按照用戶要求的方式，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灰階關系，以達到擴展低亮度區域的層次關系，壓縮高亮度區域的層次關系的目的，從而間接地擴展了圖像亮度的動態范圍。
此種方式即“伽馬修正方式”，或“灰階比率修正方式”。其典型特征則為基于模擬電路或修正算法加DSP而進行單次曝光的輸出灰階比率修正方式。
種擴展CCD攝像機動態范圍的性能比較
4種擴展CCD攝像機動態范圍的性能比較如下表所示。
壓縮放大方式會改變圖像的色彩及信噪比，對圖像有一定的劣化作用，因而需對其后續圖像信號處理電路進行復雜的設計。由于該技術復雜及成本過高，主要用于廣播電視用途的攝像機上，未用于安防監控攝像機。
輸出信號伽馬值修正方式由于僅改變了輸出信號層次，而沒有真正增加原始信號的層次，因而僅提高了視覺的觀感，實際上攝像機并未感受到真實的層次變化。再加之其成本也過高，所以也主要用于廣播電視用途的攝像機上，而在安防監控攝像機領域僅對其簡化，作為一種輔助手段，在攝像機內另立菜單調整。
在安防監控攝像機的動態范圍擴展技術上，實際上以兩次及多次曝光方式效果最為理想而用得最多。其中，兩次曝光方式已被很多攝像機廠商所掌握，并開始普及。但由于曝光速度僅有兩次選擇，其圖像的過渡層次少于多次曝光方式。
多次曝光方式由于可對監控場景進行多次曝光取樣，使獲得的實際原始層次最為豐富，因而可保存最多的原始信息，所以至今仍是CCD攝像機行業內最好的動態范圍擴展方法。該技術僅為日本JVC等5家公司所掌握。
攝像機動態范圍的測試方法
對攝像機動態范圍的測試方法可能不盡相同，但其測試原理大同小異，這里介紹一基本方法。
1、測試攝像機動態范圍所需的設備及條件
測試的設備：
①透射灰度卡與反射灰度卡;
②亮度可調的背光燈箱與亮度可調的照射光源;
③視頻監視器與波形監視器;
④測光表或照度計;
⑤標準內鏡頭等。
測試的條件：需要在暗室內進行。
2、測試攝像機動態范圍的基本方法與步驟
第一步：在暗室中一桌子的同一垂直平面上安裝兩套雙階灰度測試卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可調的背光光源作為恒定參照，調整背光源亮度，確保自正面中心確認白塊表面的發散照度為2500Lux;另外一套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可調的照射光源，以用于測定動態范圍的臨界值;
第二步：架設待測攝像機與灰度測試卡中心同水平面高度，并保持與灰度測試卡垂直平面呈90°夾角，同時使攝像機鏡頭視角能涵蓋兩套灰度測試卡;
第三步：將攝像機的輸出信號連接到視頻監視器與波形監視器;
第四步：在攝像機加電穩定后，開啟擴展動態范圍功能，將正面的照射光源的亮度調整到2500Lux。顯然，在這種照度下是曝光過度的(出廠的標準照度多為2000Lux)，此時反射灰度卡的白色端條紋可能會出現層次混合，即有兩條或更多灰度條表現出相同的白色，而分辨不出亮度的差別;
第五步：再不斷緩慢降低光源亮度，并不斷從波形監視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當頂電平因為光源照度降低而開始相應降低時，記錄此時的照度值(如L1)，這一照度值即為該攝像機動態范圍的上限。此時的攝像機應當正好可以表現出亮度較大的白色條紋之間的亮度層次區別;
第六步：然后再不斷繼續緩慢降低亮度，并不斷從波形監視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當頂電平不再因為光源照度降低而繼續相應降低時，記錄此時的照度值(如L2)，這一照度值即為該攝像機動態范圍的下限。此時攝像機拍攝的灰度卡圖像中在亮度暗的兩個灰黑色條紋之間的亮度層次區別應當正好消失而混合成一塊黑色。
3、測試結果計算
用上述實際測試方法計算動態范圍的公式如下：
動態范圍=20logL1/L2(dB)???(2)
用上述測試方法測得日本JVC公司的CCD寬動態攝像機TK-WD310EC的頂電平變化自2200Lux開始至1.1Lux結束，由上式可得：
動態范圍=20log2200/1.1=66dB
用上述測試方法測得某公司的CCD寬動態攝像機的頂電平變化自1500Lux開始至5Lux結束的動態范圍為：
動態范圍=20log1500/5=49dB
結束語
由上可知，在安防監控領域，CCD寬動態技術是采用特殊DSP電路，對明亮部分進行最合適的快門速度曝光，然后再對暗的部分用最合適的快門速度曝光，之后將兩個圖像進行DSP處理重新組合，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚。但無論怎樣，經過這樣處理后的圖像會失去其原有的色彩效果，這也是當前寬動態攝像機面臨的最大問題。常用的兩次取樣方式，CCD的動態范圍最大只能到54dB。顯然，以多次取樣方式為最好，如日本JVC公司的CCD寬動態攝像機TK-WD310EC的動態范圍就可達到66dB。 |
