探究:寬動態監控攝像機的優點及局限性

成都弱電公司訊：

寬動態范圍攝像機正迅速成為成都視頻監控的主流。然而，對于寬動態范圍(WDR)的確切概念仍然存在許多訛傳和誤解。本文將從動態范圍的含義及其如何影響圖像質量的角度，討論了寬動態攝像機的長處和局限性。

什么是動態范圍

根據尺度定義，動態范圍是指變量(如光或聲音)的最大值和最小值的比值。在理解和應用動態范圍這一概念方面存在的核心困難在于如何進行測量。

設想這樣一個任務：用一個桶測量降雨量。下大雨時，桶中的水很快就會溢出，這樣便無法確定降雨量的最大值：測量結果會根據桶的容量進行修剪。下小雨時，在一個測量間隔內，桶內可能只滴入一滴雨，在另一個測量間隔內，可能只滴入兩滴雨，最小值無法確定或受噪波干擾。要增加小值讀數的精度，就需要增加集時間，但這種做法對于大值并不適用，會導致溢出。

這個簡樸的例子說明測量結果實際上就是信息通道：它可以傳遞、丟失或誤報關于變量的信息——到達上限、到達下限或同時到達兩端。

設想將視頻攝像機用作測量儀器。它可測量照射在其數百萬個光敏元件(即像素陣列)中每個元件上以二維陣列排列的光量。每個像素陣列對一段時間內接收的光子流進行積分運算，然后將其轉化為可讀取的電子信號。假如來自某場景的光子流很強，或者假如積分時間很長，信號可能會達到限制而飽和(修剪)。結果導致與場景明亮區域的細部相對應所有的亮度變化會丟失。同樣，假如場景的光子流很弱，或者假如積分時間很短，信號會產生不確定、帶噪波的讀數，場景的所有細部都會丟失。

與任何信息渠道一樣，視頻攝像機的質量可通過其傳達信息(即展示場景的亮度變化)的優越程度來判斷。尤其是，攝像機是否能夠不作修剪即可捕捉場景明亮處的細微變化？是否能夠捕捉背光處的細微變化而不任其淹沒在噪波中？同時在動態范圍的兩端捕捉場景細部的功能如何？這些問題的答案，既取決于場景自身的動態范圍，也取決于如何對作為測量儀器的攝像機的動態范圍功能進行比較。通常，假如場景的動態范圍與攝像機相同或比攝像機窄，產生的圖像會忠實地傳達場景背光處和明亮處的細部，不會有噪波，也不修剪。假如場景的動態范圍較寬，攝像機會因噪波過大而修剪明亮處的細部，或屏蔽背光處的細部，也可能會同時修剪這兩個部位。

如何不受攝像機自身功能的影響，對場景的動態范圍進行單獨評估呢？這可通過分歧曝光時間的多個場景捕捉圖像分段進行。超長曝光可顯示背光處的細部，然而會在明亮處達到飽和。很短的曝光可顯示明亮處的細部，而將背光部淹沒在噪波基底中。顯示背光處的細部所需的最長曝光時間與顯示明亮處的細部所需的最短曝光時間的比值能可靠地評估場景的動態范圍。

為什么動態范圍受到限制

為什么攝像機的動態范圍功能受到限制？動態范圍限制源于多種原因，主要是圖像傳感器的感光像素陣列的物理性質。設想兩個相同的圖像傳感器，只是感光像素陣列的面積大小及其相關的井位能分歧，哪個傳感器的動態范圍更寬？答案是：具有更大像素陣列的那個。由于井位能較大，場景范圍上部的光通量很強，不會像較小的像素那么容易達到飽和。場景范圍底部幾乎沒有光子，較大的感光像素陣列面積可采集較多的光子，并降低小值讀數的不準確度(即噪波)。

增大感光像素陣列的尺寸以實現更寬動態范圍的需要，將感光像素陣列制造得更小以提高空間分辨率的需要，二者之間的沖突始終存在。通常，由于像素陣列尺寸小而名義上較高的空間分辨率受到窄動態范圍的嚴重拖累，從而導致噪波或修剪，或者兩種后果同時存在。

噪波屏蔽包含背光處精細圖像細部的微小信號變化，而修剪則消除了明亮處的細部。成像的時間因素也促成了動態范圍和空間分辨率之間的沖突——視域范圍內的物體可能在移動，從而導致運動模糊。運動模糊是降低空間分辨率的因素，因為它會使移動物體在多個相鄰像素之間變得模糊。降低運動模糊需要更短的積分時間，但反過來增加了測量噪波。通過屏蔽細微的信號變化，噪波也損害了空間分辨率。簡而言之，由于小尺寸像素陣列的動態范圍窄，運動模糊以及試圖降低運動模糊的措施，導致有效傳感器分辨率可能比標清分辨度低。