視頻監控攝像機寬動態性能檢測技術淺析

王瀟瀟

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州，510000）

在監控攝像機的應用過程中，經常會出現明暗反差較大或逆光的場景，如銀行儲蓄所窗口監控、停車場港口出入監控、道路交通違章監控等。傳統監控攝像機會產生明亮區域過曝或黑暗區域欠曝的現象，導致圖像最亮與最暗部分的細節無法體現。面對應用需求，最早采用背光補償技術拓寬動態范圍，隨著材料技術、信息技術、數字處理技術的不斷發展，新興的寬動態技術日益成熟。目前，CCD攝像機寬動態技術主要包括輸出信號伽馬修正、對數壓縮放大、單幀圖像兩次取樣、單幀圖像多次取樣等；CMOS攝像機寬動態技術主要包括信號雙斜率輸出、對數輸出、伽馬校正輸出、線性-對數輸出、CMOS-DSP數字像素模式等。

由于寬動態技術各有千秋，導致寬動態攝像機的成像質量千差萬別。傳統觀念認為動態范圍越寬，攝像機的畫質越好，品質越高；而在實際應用中，人們常常發現，寬動態模式開啟時，其它方面的性能往往會有所降低，主要表現為畫面清晰度下降、色彩飽和度下降，低照度環境中靈敏度下降等。甚至動態范圍標稱值相同的攝像機，呈現的畫面質量也相去甚遠。圖1是動態范圍相同的兩臺監控攝像機在寬動態模式下的拍攝實例。由此可見，僅對動態范圍進行評價無法全面體現監控攝像機的寬動態能力。

圖1 動態范圍相同的兩臺監控攝像機在寬動態模式下的拍攝實例

攝像機的寬動態能力是其準確產生輸出圖像，并能同時容納亮與暗區域的能力。各標準化組織推出的動態范圍測試方法主要包括以下三種。其一是日本電子資訊技術產業協會（JEITA)在《JEITA TTR-4602B 攝像機測量方法》中規定的方法。其原理如圖2 所示，即對測試卡較亮的一端不斷增加照明強度或增大光圈，直到剛好區分最亮的兩個灰階級別，然后對測試卡較暗的一端不斷減小照明強度到最亮的灰階級別（白色）達到 50 IRE。IRE是一個視頻測量中的單位，以創造這個名詞的組織——“無線電工程學會”（Institute of Radio Engineers）命名。CCD攝影機的視頻輸出最大振幅一般設置在100IRE或者700毫伏，一個100IRE的視頻，表示可以完全驅動一個監視器表現最好亮度和對比度的優質影像， 50IRE表示視頻輸出只有原始振幅的50%。規格說明書隨后提供了以下公式以計算動態范圍擴展比率。該方法測試場景的設計接近攝像機的實際使用狀態，能夠較為準確的評價動態范圍。

動態范圍擴展比率(dB)=20log(L3/L4)

圖2 JEITA方法示意圖

其二是國際電工委員會（IEC）在1994年發布的標準《IEC 61146-1：1994 攝像機測量方法 第一部分 非廣播單傳感器攝像機》中規定的方法。該方法中動態范圍指不引起圖像開花和拖尾現象的最大照度電平與相應被亮度通道中噪波所限制的最小信號電平的光級之間的范圍；是通過在鏡頭前放置中性密度濾光片，得到使圖像產生開花或拖尾現象的最小視頻信號值，及該值下降到50%時中性濾光片的光密度值。定義中該兩個光密度值的比為10D，則動態范圍的計算公式為：動態范圍（dB)= 20D +亮度S/N（dB）。值得指出的是，該方法中需要數枚濾光片共同作用，且每組濾光片的光密度值為非連續變化，因而測試中存在一定的誤差。

其三是國際標準化組織在《ISO 15739-2013 攝影-電子照片成像-噪聲測量方法》提到的動態范圍測量方法，圖3為測試圖示例。該標準中動態范圍的定義為：在信號-隨機噪聲比至少是1的情況下，最大無截止輸入亮度水平和最小輸入水平之比。雖然該標準的結果來源于數字圖像信息的提取，但其主要針對靜態數碼相機產品，對于攝像機而言，其對動態范圍的定義忽視了對中間色調的處理，對于兩次曝光的CCD寬動態攝像機，很可能會出現動態范圍較高而中間灰度無法區分的情況，這時得到的動態范圍值無法真實體現攝像機的寬動態成像質量。

圖3 ISO 15739測試圖示例

其四是公安部2013年12月發布的《GA/T 1127-2013 安全防范視頻監控攝像機通用技術要求》中提到的寬動態能力測量方法。該方法將監控攝像機的寬動態能力定義為在同一場景存在高對比亮度的情況下，攝像機呈現亮、暗區域景物的能力。評估這個能力包含了可分辨的灰階階數、動態范圍、灰階線性度、灰階的灰度、可分辨的彩色區域數量、拖尾阻抗、對比度、方塊陣列清晰度和信噪比等寬動態性能的指標。圖4是寬動態綜合測試卡抓圖實例。通過攝像機拍攝具有多種測試模塊的寬動態綜合測試卡，并對攝得圖像各個測試模塊進行分析，得到攝像機寬動態能力的綜合評分結果。該方法從應用的角度看，較為真實的體現了監控攝像機在寬動態模式下的成像質量。

圖4 抓圖實例

監控攝像機的寬動態功能在許多監控場景與偵查實例中都發揮著不可或缺的作用，因而安防監控領域對攝像機的寬動態能力也提出了更高的要求。選擇和設計符合實際監控場景應用的寬動態成像質量檢測方法在產品選型、質控、研發等領域都有著極其重要的現實意義。

[1]JEITA TTR-4602B 攝像機測量方法.

[2]IEC 61146-1：1994 攝像機測量方法 第一部分 非廣播單傳感器攝像機.

[3]ISO 15739-2013 攝影-電子照片成像-噪聲測量方法.

[4]GA/T 1127-2013 安全防范視頻監控攝像機通用技術要求.