宽动态的存在与发展

　随着近年来数字信号处理技术的迅速发展，以及软件算法、设计工艺上的不断成熟，宽动态摄像机的应用也逐渐普及。宽动态范围技术在摄像机系统中的运用，使黑暗区域可以变得明亮一些，使明亮区域变的更加柔和，改变了视觉效果，提供了有用的可识别的图像。
随着监控系统的日渐普及，摄像机被广泛应用在各个领域，为社会治安保驾护航。每个应用领域的不同，造就了不同类型的摄像机。据了解，摄像机有道路监控摄像机、红外防水摄像机、超低照度星光级摄像机、夜视一体化系列、烟感型摄像机、针孔型摄像机、飞碟型摄像机系列、枪式摄像机、一体化摄像机、半球摄像机、高速球型摄像机等多种类别。
以银行金融领域为例，普遍采用分辨率高、CCD高的摄像机，该领域对摄像机的要求十分的苛刻。一般的监控系统是由摄像、传输、控制、显示、录像五大部分组成。摄像机通过同轴视频电缆将视频图像传输到控制主机，控制主机再将视频信号分配到各监视器及录像设备，同时可将需要传输的语音信号同步录入到录像机内。通过控制主机，操作人员可发出指令，对云台的上、下、左、右的动作进行控制及对镜头进行调焦变倍的操作，并可通过控制主机实现在多路摄像机及云台之间的切换。利用特殊的录像处理模式，可对图像进行录入、回放、处理等操作，使录像效果达到*佳。加装时间发生器，将时间显示叠加到图像中。摄像机成为五大组成部分的首要环节，它关系着整套监控系统的成与败，成为重中之重的一部分。
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宽动态摄像机产生的背景
我们知道，在拍摄过程中，普遍存在被拍摄的主体目标后面有非常亮的背景或一个亮点光源的情况。因为传统普通摄像机对单一图像中*亮和*暗部分的平衡调整能力非常有限，一般是将摄取进来所有光线的平均值为基准，并决定曝光的等级，这并不是一个好方法。因此，在一些明暗反差较强烈的场合，传统摄像机的表现就不尽如意。为了克服这个问题，一种称为背光补偿（BLC）的方法通过加权的区域理论被广泛使用在多数摄像机上，但是在某些情况下仍然得不到清晰的图像。与此同时，众多生产厂家也在寻找新的可行的解决途径，于是通过技术手段使摄像机具备良好的宽动态功能（Wide-dynamic），并逐渐成为广大摄像机生产厂商们关注的焦点。

还记得笔者在进行金融机构摄像机专题的采访时，PELCO市场部负责人就向笔者介绍到宽动态范围技术的一些情况。就以金融机构的应用领域为参照物，安装在门口的摄像机获取的图像由于受到光线的影响，一部分图像在光线充足的室外，另一部分为光线较暗的室内大厅，在一副图像中光线明暗对比强烈，室外的图像因为过分曝光，室内的图像因曝光不足无法获取图像信息。我们还可以在三星、松下等生产宽动态摄像机的厂商宣传广告中发现，大家普遍选用的一组图片都存在室内和室外，由于门口的阻隔，光线方面出现了两种境界。这是没有采用宽动态技术的普遍现象。我们知道，背光补偿和宽动态功能，虽然都是努力消除一张图像中明暗反差强烈的细节的模糊现象，使*终得到的图像能够清晰的反应出明亮区域和黑暗区域的画面，但是这两种功能的技术实现手段却是截然不同的。那么，什么是宽动态功能呢？

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何谓超宽动态功能
宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。

当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对*亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。
广义上的“动态范围”是指某一变化的事物其可能改变的跨度，即其变化值的*低端极点到*高端几点之间的区域。此区域的描述一般为*高点与*低点之间的差值。这是一个应用非常广泛的概念。在谈及摄像机产品的拍摄图像指标时，一般的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度（反差）及色温（反差）的变化范围。


宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux到星光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是10,000Lux，对比就是10,000/100=100:1。这个对比使人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度。然而传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题，传统摄像机只有3:1的对比性能，它只能选择使用1/60秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像会被清除掉（全白）；或者换种方法摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光，但是室内的影像会被清除（全黑）。
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宽动态范围技术在摄像机系统中的运用，使黑暗区域可以变得明亮一些，使场景中明亮区域变的更加柔和，改变了视觉效果，提供出有用的可识别的图像。时下较为畅销的宽动态摄像机有松下WV-CS950、三星SCC-B2005P/B2305P、三星SCC-B5381GP/C6405P/C4205P、派尔高 CCC5100、利凌PIH-4086、博世LTC0620系列、索尼SSC-DC578P/DC573P系列、景阳SN-586C、慧友沅骅EverFocus EQ600等。
其中PELCO的CCC5100系列为特大动态范围摄像机，运用全新的多重采用方法进行图像处理，称之为SIMD。SIMD处理器逐个象素的分析曝光，本质上就像388000多个独立的摄像机进行操作，具有非常宽的动态范围和精确的色彩还原度。
松下自推出超级动态摄像机以来，截至目前已经是第三代了。每个像素的动态范围从80倍增加到160倍，翻了一倍。今年6月23日，在松下电器（中国）有限公司（PC）系统销售公司在北京京广中心召开了2005年松下电器安防系统新产品发布会上，松下第三代超级动态系列监控摄像机闪亮登场。它可以做到*高彩色分辨率达到540线，*高黑白分辨率达到570线。采用了*新独有技术，画面质量很好，智能化水平出众，并且能够进行 24小时不间断监控。不仅扩大了动态范围，而且提高了智能化处理水平。所以，它被誉为真实再现景物并能自己进行思考的摄像机。松下第三代超级动态系列监控摄像机独有的基于每个像素的160倍动态范围技术采用了新的带有自然对比度校正功能的DSP（数字信号处理功能）系统，能够使高对比度图像达到*佳效果，确保不受目标物体地域、位置、形状和大小等因素的影响，完全能够真实地再现画面。
据美国PIXIM公司的总裁Todd先生介绍，美国Pixim公司在斯坦福大学20世纪90年代技术发展基础上研发了一种新型的图像拾取系统，此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图片。宽动态功能划时代地提升了一副图像中亮和暗区域地影像拍摄效果，可以达到比CCD更真实更清晰的图像。在动态范围上，DPS采用的单一像素曝光和ARM7控制技术，相比于CCD的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说，采用DPS技术的摄像机的动态范围可到达95dB，*高可至120dB。在扩大动态范围的同时，DPS也解决了CCD传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足，其色彩还原性更加真实，完全能够满足不同条件下不同客户的要求。美国PIXIM公司与深圳景阳集团合作开发的SN-586C超宽动态彩色摄像机，拥有流线型、紧固的外观设计，银灰色的外壳看上去有很好的金属质感。这款摄像机在数字图像传感器里每一个像素中都使用了一个模拟数字转换器（ADC），在捕捉到光信号时直接转化为数字信号，*大程度上降低了信号在排列中的衰减和干扰。据景阳集团总经理刘向阳介绍，配合宽动态感光器件，摄像机内置了可对每个像素点进行亮度调节的数字信号处理芯片，不仅前景被摄体，而且光线明亮的背景被摄体部分都可得到清晰的图像细节。因此拍摄既有明亮部分的高反差的场景时，能得到近似于人类视觉所能感受到的清晰的影像。
三星电子继SCC-B2005P/B2305P超级宽动态彩色摄像机面世以来，今年又相继推出SCC-B5381GP超级宽动态变焦半球彩色摄像机、SCC-C6405P超级宽动态高速智能球型摄像机、SCC-C4205P超级宽动态一体化变焦彩色摄像机三款*新宽动态摄像机。我们可以发现，这三款超级宽动态摄像机不仅在超级宽动态范围有了新的突破，分别是普通摄像机的80倍和128倍；而且在摄像机的基本功能方面也有了进步，将单一性的宽动态摄像机装上了变焦、高速等普通摄像机具有的功能。从而大大提高了用户的操作简便性，更加适合的使用到各个领域。
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市场前景繁花似锦
随着使用环境的迅速扩大和使用者日益多元化的要求，摄像机的技术和分类也发生了巨大变化。各生产厂商始终致力于提高摄像机的新技术，使其能够*大程度的满足应用要求。其中宽动态摄像机是非常重要的一个分支，在一定程度上也体现了一个摄像机生产厂商的技术发展实力和发展方向。
我们知道摄像机的核心是CCD，目前国内没有CCD和生产能力，主要集中在日本和韩国。由于CCD在生产过程中分不同等级和和生产商获得的途径不同，造成CCD的采集效果也不同。一个简单的检测方法，就是将摄像机通电，不接镜头，用手遮住镜头接口，看图像有没有亮点，雪花大不大，然后接上镜头，将摄像机对准一个色彩鲜明的物体，查看监视器的颜色是否有偏色，图像有无扭曲现象，色彩和灰度是否平滑。
1997年松下开发出超动态技术，并将其应用在摄像机上推向市场。随后，全球各大主要摄像机生产厂商也相应推出了带有自己宽动态技术的摄像机。一时之间，宽动态技术在这几年飞速发展，摄像机的动态范围也在不断扩大，也出现了以双速CCD+DSP、普通CCD+双速快门等技术。现在的宽动态摄像机一般都采用了专用的DSP电路。它首先对明亮区域的被摄物体用*合适的快门速度进行曝光，然后再对阴暗区域的被摄物体用*适合的快门速度进行曝光，*后将两个图像用DSP数字信号处理，将捕捉到的两幅图像重新组合在一张图像上，使其扩大了可能处理的动态范围，使得明亮区域的被摄物体和阴暗区域的被摄物体都可以看得很清楚。
随着DPS纯数字传感技术的诞生和传播，更高的动态范围和更真实的色彩将逐渐出现在新一代的宽动态摄像机中。目前，景阳集团与美国PIXIM公司合作开发的*一代运用DPS技术的宽动态摄像机，市场反响不俗，相信在以后的市场检验中会逐渐彰显出它的魅力。
可以说在不久的将来，宽动态摄像机市场会面临DSP和DPS两种传感技术的竞争，动态范围也势必不断扩大，前景广阔。