视频监控摄像机宽动态性能检测技术浅析

2018-01-25王潇潇

电子测试 2017年24期

王潇潇

（广州计量检测技术研究院，广东广州，510000）

在监控摄像机的应用过程中，经常会出现明暗反差较大或逆光的场景，如银行储蓄所窗口监控、停车场港口出入监控、道路交通违章监控等。传统监控摄像机会产生明亮区域过曝或黑暗区域欠曝的现象，导致图像最亮与最暗部分的细节无法体现。面对应用需求，最早采用背光补偿技术拓宽动态范围，随着材料技术、信息技术、数字处理技术的不断发展，新兴的宽动态技术日益成熟。目前，CCD摄像机宽动态技术主要包括输出信号伽马修正、对数压缩放大、单帧图像两次取样、单帧图像多次取样等；CMOS摄像机宽动态技术主要包括信号双斜率输出、对数输出、伽马校正输出、线性-对数输出、CMOS-DSP数字像素模式等。

由于宽动态技术各有千秋，导致宽动态摄像机的成像质量千差万别。传统观念认为动态范围越宽，摄像机的画质越好，品质越高；而在实际应用中，人们常常发现，宽动态模式开启时，其它方面的性能往往会有所降低，主要表现为画面清晰度下降、色彩饱和度下降，低照度环境中灵敏度下降等。甚至动态范围标称值相同的摄像机，呈现的画面质量也相去甚远。图1是动态范围相同的两台监控摄像机在宽动态模式下的拍摄实例。由此可见，仅对动态范围进行评价无法全面体现监控摄像机的宽动态能力。

图1 动态范围相同的两台监控摄像机在宽动态模式下的拍摄实例

摄像机的宽动态能力是其准确产生输出图像，并能同时容纳亮与暗区域的能力。各标准化组织推出的动态范围测试方法主要包括以下三种。其一是日本电子资讯技术产业协会（JEITA)在《JEITA TTR-4602B 摄像机测量方法》中规定的方法。其原理如图2 所示，即对测试卡较亮的一端不断增加照明强度或增大光圈，直到刚好区分最亮的两个灰阶级别，然后对测试卡较暗的一端不断减小照明强度到最亮的灰阶级别（白色）达到 50 IRE。IRE是一个视频测量中的单位，以创造这个名词的组织——“无线电工程学会”（Institute of Radio Engineers）命名。CCD摄影机的视频输出最大振幅一般设置在100IRE或者700毫伏，一个100IRE的视频，表示可以完全驱动一个监视器表现最好亮度和对比度的优质影像， 50IRE表示视频输出只有原始振幅的50%。规格说明书随后提供了以下公式以计算动态范围扩展比率。该方法测试场景的设计接近摄像机的实际使用状态，能够较为准确的评价动态范围。

动态范围扩展比率(dB)=20log(L3/L4)

图2 JEITA方法示意图

其二是国际电工委员会（IEC）在1994年发布的标准《IEC 61146-1：1994 摄像机测量方法第一部分非广播单传感器摄像机》中规定的方法。该方法中动态范围指不引起图像开花和拖尾现象的最大照度电平与相应被亮度通道中噪波所限制的最小信号电平的光级之间的范围；是通过在镜头前放置中性密度滤光片，得到使图像产生开花或拖尾现象的最小视频信号值，及该值下降到50%时中性滤光片的光密度值。定义中该两个光密度值的比为10D，则动态范围的计算公式为：动态范围（dB)= 20D +亮度S/N（dB）。值得指出的是，该方法中需要数枚滤光片共同作用，且每组滤光片的光密度值为非连续变化，因而测试中存在一定的误差。

其三是国际标准化组织在《ISO 15739-2013 摄影-电子照片成像-噪声测量方法》提到的动态范围测量方法，图3为测试图示例。该标准中动态范围的定义为：在信号-随机噪声比至少是1的情况下，最大无截止输入亮度水平和最小输入水平之比。虽然该标准的结果来源于数字图像信息的提取，但其主要针对静态数码相机产品，对于摄像机而言，其对动态范围的定义忽视了对中间色调的处理，对于两次曝光的CCD宽动态摄像机，很可能会出现动态范围较高而中间灰度无法区分的情况，这时得到的动态范围值无法真实体现摄像机的宽动态成像质量。

图3 ISO 15739测试图示例

其四是公安部2013年12月发布的《GA/T 1127-2013 安全防范视频监控摄像机通用技术要求》中提到的宽动态能力测量方法。该方法将监控摄像机的宽动态能力定义为在同一场景存在高对比亮度的情况下，摄像机呈现亮、暗区域景物的能力。评估这个能力包含了可分辨的灰阶阶数、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、对比度、方块阵列清晰度和信噪比等宽动态性能的指标。图4是宽动态综合测试卡抓图实例。通过摄像机拍摄具有多种测试模块的宽动态综合测试卡，并对摄得图像各个测试模块进行分析，得到摄像机宽动态能力的综合评分结果。该方法从应用的角度看，较为真实的体现了监控摄像机在宽动态模式下的成像质量。