摄像机动态范围对图像的影响

        摄像机动态范围对图像的影响。我们知道摄像机在突然性的强暗光照变化情况下,摄像机画面会出现一片白或者一片黑。出现的时间长短与摄像机性能有关,就是我们常说的动态范围。宽动态技术是在非常强烈的光照对比下,为了让摄像机尽快看到影像显示画面而运用的一种技术,是指同一时间曝光两次,一次快,一次慢,再进行合成使得我们能够同时看清画面上较亮与较暗区域的物体,这种应用大多数在车载摄像头比较多。再如当镜头在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域与阴影、逆光等相对亮度较低的区域同时存在时,摄像机镜头拍摄输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色,而黑暗区域因曝光不足成为黑色,如此会严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域与较暗区域的表现是存在局限的,这种局限就是通常所讲的“动态范围”,评价一款摄像头性能指标,动态范围也是非常重要的。

        广义上的“动态范围”是指事物在一定变化的情况下可改变的范围跨度,即其可变化值的最低点到最高点之间的区域,此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值,在摄像机产品的拍摄图像指标里,一般的“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,具体是指亮度(反差)及色温(反差)的变化范围,最简单直观的例子就是前面讲的车载摄像头从较暗的隧道突然进入照度较好的太阳光区域,或者是反过来从较亮区域进入较暗区域,再或者是明暗区域并存的情况。

        宽动态的表现方式有两种,一种是相对范围内的,通常用倍数或者“db”来表示;另一种是绝对差值范围。当前,视频监控摄像机的镜头主要是CCD芯片和CMOS芯片构成。因此,对于摄像机的宽动态工作原理来说,基本上也是基于这两类镜头的技术特点展开。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,这种方法数据最为贴合使用者的标准,也是实际数据。
 

动态范围测试卡
动态范围测试卡

        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。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,通常需要采用中央背光补偿(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。

        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,无层次感。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。

        宽动态范围这一技术是指同一时间曝光两次,一次快,一次慢,再进行合成使得我们能够同时看清画面上较亮与较暗区域的物体。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,也是技术相对进步的体现。

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