探究:宽动态监控摄像机的优点及局限性

成都弱电公司讯：

宽动态范围摄像机正迅速成为成都视频监控的主流。然而，对于宽动态范围(WDR)的确切概念仍然存在许多讹传和误解。本文将从动态范围的含义及其如何影响图像质量的角度，讨论了宽动态摄像机的长处和局限性。

什么是动态范围

根据尺度定义，动态范围是指变量(如光或声音)的最大值和最小值的比值。在理解和应用动态范围这一概念方面存在的核心困难在于如何进行测量。

设想这样一个任务：用一个桶测量降雨量。下大雨时，桶中的水很快就会溢出，这样便无法确定降雨量的最大值：测量结果会根据桶的容量进行修剪。下小雨时，在一个测量间隔内，桶内可能只滴入一滴雨，在另一个测量间隔内，可能只滴入两滴雨，最小值无法确定或受噪波干扰。要增加小值读数的精度，就需要增加集时间，但这种做法对于大值并不适用，会导致溢出。

这个简朴的例子说明测量结果实际上就是信息通道：它可以传递、丢失或误报关于变量的信息——到达上限、到达下限或同时到达两端。

设想将视频摄像机用作测量仪器。它可测量照射在其数百万个光敏元件(即像素阵列)中每个元件上以二维阵列排列的光量。每个像素阵列对一段时间内接收的光子流进行积分运算，然后将其转化为可读取的电子信号。假如来自某场景的光子流很强，或者假如积分时间很长，信号可能会达到限制而饱和(修剪)。结果导致与场景明亮区域的细部相对应所有的亮度变化会丢失。同样，假如场景的光子流很弱，或者假如积分时间很短，信号会产生不确定、带噪波的读数，场景的所有细部都会丢失。

与任何信息渠道一样，视频摄像机的质量可通过其传达信息(即展示场景的亮度变化)的优越程度来判断。尤其是，摄像机是否能够不作修剪即可捕捉场景明亮处的细微变化？是否能够捕捉背光处的细微变化而不任其淹没在噪波中？同时在动态范围的两端捕捉场景细部的功能如何？这些问题的答案，既取决于场景自身的动态范围，也取决于如何对作为测量仪器的摄像机的动态范围功能进行比较。通常，假如场景的动态范围与摄像机相同或比摄像机窄，产生的图像会忠实地传达场景背光处和明亮处的细部，不会有噪波，也不修剪。假如场景的动态范围较宽，摄像机会因噪波过大而修剪明亮处的细部，或屏蔽背光处的细部，也可能会同时修剪这两个部位。

如何不受摄像机自身功能的影响，对场景的动态范围进行单独评估呢？这可通过分歧曝光时间的多个场景捕捉图像分段进行。超长曝光可显示背光处的细部，然而会在明亮处达到饱和。很短的曝光可显示明亮处的细部，而将背光部淹没在噪波基底中。显示背光处的细部所需的最长曝光时间与显示明亮处的细部所需的最短曝光时间的比值能可靠地评估场景的动态范围。

为什么动态范围受到限制

为什么摄像机的动态范围功能受到限制？动态范围限制源于多种原因，主要是图像传感器的感光像素阵列的物理性质。设想两个相同的图像传感器，只是感光像素阵列的面积大小及其相关的井位能分歧，哪个传感器的动态范围更宽？答案是：具有更大像素阵列的那个。由于井位能较大，场景范围上部的光通量很强，不会像较小的像素那么容易达到饱和。场景范围底部几乎没有光子，较大的感光像素阵列面积可采集较多的光子，并降低小值读数的不准确度(即噪波)。

增大感光像素阵列的尺寸以实现更宽动态范围的需要，将感光像素阵列制造得更小以提高空间分辨率的需要，二者之间的冲突始终存在。通常，由于像素阵列尺寸小而名义上较高的空间分辨率受到窄动态范围的严重拖累，从而导致噪波或修剪，或者两种后果同时存在。

噪波屏蔽包含背光处精细图像细部的微小信号变化，而修剪则消除了明亮处的细部。成像的时间因素也促成了动态范围和空间分辨率之间的冲突——视域范围内的物体可能在移动，从而导致运动模糊。运动模糊是降低空间分辨率的因素，因为它会使移动物体在多个相邻像素之间变得模糊。降低运动模糊需要更短的积分时间，但反过来增加了测量噪波。通过屏蔽细微的信号变化，噪波也损害了空间分辨率。简而言之，由于小尺寸像素阵列的动态范围窄，运动模糊以及试图降低运动模糊的措施，导致有效传感器分辨率可能比标清分辨度低。