摄像机的宽动态功能

在进入正题介绍摄像机宽动态功能之前先说个题外话。
很多年前,应该是刚从事安防行业不久,在某个新品推介会上,某个知名安防品牌(现在名气更大)的华南地区的负责人介绍自家产品的功能时,说到摄像机支持宽动态功能,支持的宽动态范围是120dB。然后用半开玩笑的口吻说这120dB的数值是怎么来的,自己也不知道,行业里面把真实宽动态的数值都标成120dB,我们也标120dB了。
这件事对我感触很大!诚如我在“关于”页面写的那样,这个行业里部分从业人员专业知识比较匮乏,对很多知识大都是一知半解,不好读书,也不求甚解。很多时候,把知识点弄清楚,不误人子弟,也不贻笑大方是一种责任,也是义务。

名称及定义

应用场景

在安防视频监控领域,摄像机的宽动态一直是一个很重要的功能。尤其是在一些特殊行业或者场景中,一定要使用到宽动态功能。比如安装在银行ATM机里,用来监看使用者的微型针孔摄像机,因为摄像机一般都是室内往室外照射,光线明暗对比强烈,普通摄像机很难看清楚人脸,必须使用带宽动态功能的摄像机。又比如,安装在酒店大堂内的摄像机,从室内照向室外大堂出入口通道,要想看清楚进出人员的特征,特别是面部特征,一定需要使用带宽动态功能的摄像机。
宽动态在监控中使用的典型场景:

外面有日光而室內环境阴暗的入口处。
外面有日光而室內明亮等级低的停车场或隧道。
直接日照且有深色阴影的戶外场景。
有大量窗戶反射光线的办公大楼或购物中心。

定义

一般的经验,在摄像机拍摄视频成像时,如果整个监控场景光线比较复杂,有的地方光线很暗,有的地方很亮,那摄像机拍摄呈现出来的画面可能是暗的地方什么都看不见,或者亮的地方曝光过渡,也什么都看不清。为了描述摄像机拍摄明暗对比比较强烈的场景时的识别能力,我们引入了动态范围这一概念,而宽动态狭义的理解就是表明了摄像机拍摄识别明暗对比场景的一种能力。

其他名称

宽动态,WDR,英文是wide dynamic range,即宽动态范围。安防sensor进入CMOS时代以后,宽动态也被称为HDR,即High-Dynamic Range(高动态范围)。特别是电影电视行业,显示器领域,手机屏幕,摄影摄像等一般都称为HDR。安防行业把宽动态也称为HDR,算是和这些行业领域接轨了。
引领安防sensor发展趋势的Sony对于宽动态功能还有这些称呼:DOL-HDR或者DOL-WDR,都是同一个意思。

DOL(digital overlap) WDR stands for digital overlap wide dynamic range, it’s the next generation Sensor-based WDR technology exclusively developed by Sony.

与背光补偿的区别

背光补偿解决的问题是因为背景光线过强导致的监控目标光线过暗,看不清问题。开启背光补偿以后,前景中的目标物体能看清,而之前明亮区域将被过度曝光。
宽动态是使整个画面都能清晰可见,没有过渡曝光的区域,也没有明显变暗的区域。
左图,一般模式;中图,开启背光补偿功能;右图,开启宽动态功能

120dB

文章开头提到了关于宽动态的数值表述120dB,这其实是一个比值,意味着摄像机能识别拍摄的最亮部分和最暗部分的照度之比为1 000 000:1,即106 : 1。
106 : 1对应的为什么是120dB呢?我们人为定义的宽动态比值公式:

dB = 20 log (最亮部分照度 [lx] / 最暗部分 [lx] )

20log(1 000 000/1)=20 X 6=120dB
实际上dB是一个比值,一个纯计数方法,没有任何单位标注。在不同领域有着不同的名称,因此它也代表不同的实际意义。比如声音大小,信号强度等。
dB的意义其实很简单,就是把一个很大(后面跟一长串0的)或者很小(前面有一长串0的)的数比较简短地表示出来。比如宽动态范围表示成120dB比使用1 000 000:1明显更直观简洁。
其他领域,对于功率,dB = 10Xlog()。对于电压或电流,dB = 20Xlog()。
120dB也是一个比较特殊的比值,人眼能识别的动态范围大约也是120dB。(松下认为人眼的动态范围大约是80-110dB)

实现方式

在模拟标清时代,比较著名的一款宽动态方案产品就是SONY的effio-p方案,至今我还保留有SONY effio-p宽动态录像视频,现在看来这个宽动态效果很一般,但是当年这个效果已经是非常出色的了。

模拟时代,实现宽动态功能比较困难,受限于处理器性能,CCD传感器一定要支持宽动态功能,即一定要使用双速CCD传感器。
进入网络高清时代,宽动态技术进一步发展。处理器性能,功能不断增强;更多的CMOS传感器能支持多帧画面的线性叠加,宽动态效果越来越好。总结起来,宽动态技术效果的实现主要由下面几种方式:

  1. 使用双速/高速传感器,即使用带有宽动态功能的sensor(Sensor Build-In WDR)。同一时间抓拍多幅画面(明暗不同效果的,Sony CMOS sensor一般是3帧),多帧画面叠加呈现。这种宽动态效果一般称为真实宽动态;
  2. 基于DSP处理器的宽动态。目前市面上大部分处理器都可以做到(模拟高清摄像机使用的ISP,网络摄像机使用的编码芯片),因为各厂家技术积累不一,所呈现的宽动态效果也不一样。这种宽动态一般称之为数字宽动态(digital-WDR/dWDR)。

测量方法

公共安全行业标准GA/T 1127— 2013《安全防范视频监控摄像机通用技术要求》设定了一种摄像机宽动态能力测量方法。通过对图像可分辨的灰阶阶数,动态范围,灰阶线性度,灰阶的灰度,可分辨的彩色区域数量,拖尾阻抗,边缘对比度,方块阵列清晰度和信噪比等九个方面来综合评估摄像机的宽动态能力。这种方法是科学合理的,介绍如下:

测试所需设备

  • 宽动态测试卡
    使用宽动态范围测试卡,包含灰阶、灰度区域、颜色方 块和多种图形。采集的图片然后用分析软件去计算和测量出宽动态摄像机的各种不同性能参数。
  • 光源箱
    灯箱光源的光强度在放置测试卡的位置应达到70 000 lx〜 100 000 lx;灯箱的光源的色温应在冷荧光到D50之间,即 3 500 K 〜 5 100 K色温之间。
  • 镜头
    手动光圈镜头。建议用F1.4/12.5mm镜头。
  • 测试软件
    标准里没提供使用的具体分析软件。推荐使用ColorSpace,Imatest,IQL,IE,DNP,DxO等图像测试软件工具。

测试方法
将摄像机设置好,调整好镜头,捕捉一个静态图片。然后用分析软件来计算分析摄像机的宽动态性能。
分别测量计算灰阶的可分辨阶数,动态范围,亮度响应的线性,灰阶域的灰色,可分辨的颜色方块数量,拖尾阻抗,边缘对比度,方块阵列清晰度,信噪比9个项目。

加权计算
将上述9个不同项目分配权重然后计算:
宽动态性能分配权重表

项目名称权重
动态范围(DR)16
可分辨的灰阶阶数(gray_steps)16
可分辨的颜色方块数量(color_patches)16
灰阶亮度响应的线性度(linearity)16
灰阶的灰色度(grayness)16
拖尾阻抗(smear_resistance)16
边缘对比度(edge_contrast)16
方块阵列清晰度(grid_clarity)16
信噪比(SNR)16

根据权重,我们能够计算出一个全面的综合评估 ,计算方式如下:

综合评估 = 16 X (DR/100) + 16 X (gray_steps/2l) + 16 X (color_patches/84) + 16 X linearity + 16 X grayness + 16 X smear_resistance + 16 X (edge_contrast/200) + 16 X grid_clarity + 16 X (SNR/60)

产生的问题

使用宽动态功能以后,会对图像的真实性,颜色等产生影响,这是无法避免的。常见的问题有如下这些:

  • 位移残影
    场景中物体移动太快或是曝光时间太长,产生的移动残影。
  • 鬼影
    使用多重曝光生成一张图像时,可能会在不同位置获取到同一个移动物体。叠加以后画面呈现鬼影效果。
  • 其它光源闪烁造成的假影
    程序设置中,通常会假设光线照明条件不变,日光灯等调变光源通常会带来问题,产生呈现条状或可见脉冲的假影。
  • 条纹噪声
    图像中特定数量的随机分布的噪声通常可接受。不过在进行数字化处理时,有时可能会产生可见的条状噪声。
  • 卡通化和过度锐利化
    WDR图像可能包含太多重复的色调和增强细节,以致难以在标准摄像头上显示。导致图像可能出现明显的卡通化及不自然风格。
  • 色偏
    像素处理方式的不同,可能会导致色彩重现假影,比如错误的颜色或太多颜色。
  • 紫边
    因为镜头色差缘故,可能在图像锐利边缘旁看到紫边或蓝边的效应。
    光线在镜头内折射不等,因此在sensor上略微会有偏移或失焦。此效应通常在sensor的边缘较强烈。WDR摄像机对色差的灵敏度高于传统摄像机,因为图像暗色部分的色调对图像影响较大。
  • 镜头耀光和光晕
    光线进入镜头时,有些光线在镜头内会散射或闪耀,从而到达sensor上的错误位置,造成不同类型的假影。
    最常见的假影是镜头耀光,大部分镜头朝向日光等强烈光源时会发生。另一种称为光晕的效应,会在图像的较大区域上降低对比度和色彩饱和度。图像中有强烈光源、宽动态范围场景、镜头脏污或镜头里有灰尘时,这两种效应会更严重。透过在摄像机上安装防尘罩可减少耀光和光晕,但希望达到更大动态范围的WDR摄像机,仍会受到光学系统中散射光的限制。

参考资料:

  1. Wide Dynamic Range
  2. Forensic WDR
  3. What is DOL(digital overlap) WDR?
  4. 监控摄像机宽动态技术的实现方式
  5. HDR与ToneMapping
  6. DYNAMIC RANGE IN DIGITAL PHOTOGRAPHY
  7. 人眼与相机可对比的参数(动态范围、高感……)
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引用通告 & 通告

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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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