当一统天下遭遇后起之秀宽动态技术更需精益求精

在使用监控摄像机的时候，被摄场景明暗光线反差过大造成画面不清的难题一直困扰着广大用户。随着宽动态技术的开发及应用，这个问题得到了很大的改观。本文针对两种不同的宽动态实现技术，进行了深入的分析和比较，同时根据应用、安装、调试、选购以及市场的发展情况，提出了各厂家的看法和意见，仅供参考。

作为摄像机的重要功能，宽动态技术（WDR）发展至今正在逐渐走向成熟。在宽动态技术未问世之前，传统的摄像机普遍采用的是背光补偿（BLC）的方法来解决强光或逆光状态下摄像机主体画面过暗和不清晰的问题。但是这种方式并不能保证整个图像画面的清晰。因此，随着应用的需求，在后来的技术发展过程中，宽动态技术被研究问世，并作为摄像机的一种特殊功能被广泛应用到工程实际。

自宽动态技术被提出，发展到现在，在技术上便先后出现了两种不同的宽动态实现方案。一种是以CCD配合DSP芯片的处理方式，采用双曝光或者多次曝光，通过DSP处理，形成优质画面，这是传统的主流宽动态实现技术。该实现技术的代表厂家有Panasonic（松下）、Sony（索尼）、JVC（杰伟士）、SAMSUNG TECHWIN（三星光电子）、SAMSUNG（三星电子）、LG（乐金）等日韩厂家，这些厂家都具有强大的研发实力，能开发出相应的DSP芯片。另一种则是PIXIM公司基于CMOS研发的DPS技术（数字图像传感和处理系统），其采用的核心技术对每个像素进行多次单独无损失采样，并控制每个像素的最佳采样时间，从而使每个像素达到最佳状态时才存贮像素信息，可同时获取监控场景中明亮及阴暗区域中详细的图像信息,采用该项技术生产的摄像机已越来越多，具有后起之秀的强劲发展态势，代表厂家有池上、景阳等。

CCD+DSP技术
由一统天下遭遇严峻挑战
宽动态技术是伴随着DSP技术的发展而发展的，CCD配合DSP处理技术最早是由松下公司提出和大规模应用到实际生产中的。据松下电器（中国）有限公司项目推进中心的郭辰见介绍，1997年，松下公司首次推出了宽动态摄像机（SD技术），它的宽动态范围达到普通摄像机的40倍。到了1999年，松下公司推出第二代超级宽动态摄像机，它的宽动态范围达到80倍（48dB）。随后，松下的第三代超级宽动态摄像机于2005年4月问世，它的宽动态范围达到了160倍（54dB），代表机型为WV-CP480、WV-CW960。

如今的第三代超级宽动态技术使用双速CCD配合DSP的处理方法已经相当成熟了。这种双曝光（或双快门）技术也是采用最普遍的宽动态摄像机处理技术。该技术的核心是针对明暗反差较大的场景，摄像机先对明亮区域进行一次快速曝光，得到一幅亮部区域清晰正常的图像并存储到数据缓冲存储器中；然后再对场景中暗部区域进行一次慢速曝光，得到一幅暗部区域画面清晰的图像也存储到数据缓冲存储器中；以上曝光完毕后，利用DSP特有的图像处理算法，将两副图像当中亮度适当的部分分别切割下来，最后进行叠加合成并输出一副明暗区域都清晰可见的图像。这样就能避免亮部曝光过度和暗部曝光不足的问题，从而使整个画面都清晰可见，实现宽动态的处理效果。

从市场上看，CCD配合DSP技术方案的宽动态摄像机（以下简称DSP摄像机）产品一直是市场的主流，且使用这种方案的厂家众多，虽然有研发实力的厂家宽动态技术绝大多数相似，但是由于采用不同的DSP芯片，在具体的细节处理上还是有他们自己的独特之处。

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1、五次取样方式
据JVC技术部工程师谭耀明介绍，JVC采用的五次取样方式（也叫五次合成电子快门）实际上就是在双快门曝光的基础之上多增加三次曝光的图像取样技术。摄像机在前两副图像上根据对最亮区域至最暗区域的中间过度范围的整体评估，再对图像进行三次中间层次的曝光，这样又得到了三幅过度范围内亮度不同的曝光图像，最后再将五幅图像中亮度适当的部分切割下来组合起来并输出一幅新的图像。五次曝光技术的运用又是对宽动态处理技术的一次拓展。

2、伽玛值曲线修正处理
据了解，伽玛值实际上就是亮度层次间灰阶关系在行业内部采用的专有名词，也是视频行业称之为对图像的“灰阶比例修正方式”。据市场了解这种技术在针对图像采集时，它会进行暗、亮不同区域的调整。按照要求，分组逐渐降低高亮度层次间的灰阶关系，同时逐渐提高低亮度层次间的关系，达到扩展低亮度区域层次关系，压缩高亮度层次关系的目的，间接扩展图像亮度的动态范围。比如，人们关注的颜色、或者对比度等，它会根据不同区域进行放大，拥有不同的模式。这种技术的运用可以使图像在修正之后达到更好的效果。

3、超级数字降噪处理技术
据广州瀚祺电子科技有限公司的技术工程师贺伟介绍，三星光电子自主研发出的超级图像数字降噪技术(SSNR)，可以在夜晚极低照度条件下，通过降低随机出现的噪点，拍摄出和真实物体几乎一模一样的图像，消除动态图像噪点到几乎可以忽略的地步。增加图像感光度、解决图像阴影及拖尾现象、节省硬盘存储空间，这些都是常规的数字降噪技术所达不到的。它可以为使用MPEG压缩格式的DVR节省70%的硬盘空间。目前，除外三星光电子，采用该项技术的还有松下、三星电子、LG等。

WDR技术发展历程示意图

DPS技术
奋起直追的后起之秀
DPS技术是二十世纪九十年代美国斯坦福大学研发的一种新型的图像拾取系统，之后成立了Pixim公司，专门推广该项技术。此系统可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量图片，申请了56项专利，其中42项已经生效。在DPS 技术中每个像素都有一个ADC（analog-to-digital converter），每个像素的信息都是独立捕捉和处理的，同时使用了一个32bit的CPU处理芯片ARM7（或者ARM9）控制其每个像素的曝光时间，并使得模—数转换更精确。因此即使在极端照明的条件下的高动态范围场景，都能拍出还原准确低噪波的图像。

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据深圳市景阳数码技术有限公司的技术部工程师谭瑜鹤介绍，2005年，深圳景阳数码与美国Pixim公司合作在国内第一家推出DPS超宽动态摄像机。DPS处理技术在采集一幅图像时，系统可对每个像素进行多次单独无损失采样，并控制每个像素的最佳采样时间，从而使每个像素达到最佳状态时才存贮像素信息，可同时获取监控场景中明亮及阴暗区域中的详细的图像信息。这比CCD摄像机的两次曝光成像有了更高的动态范围。从数值上来说，CCD的最大动态范围为60dB，而DPS摄像机的动态范围一般可到95dB，最高可达120dB。DPS摄像机从传感器到输出的过程中，单帧图像获取的时间仅为0.8ms，而传统CCD技术则需数十ms，从而它最大限度地减少了无效的转换。因此，它减少了信号的传输时间，减小了信号的衰减、信号的传输与转换的噪声，即降低了噪声和衰减，最终形成高质量的图像。

两种技术的比较
据采访汇总，我们对这两种方案做一简单比较。
1、图像持续稳定性
DPS摄像机通过对菜单的调整可以在静态场景中达到高清晰的图像，但如果被摄场景环境（如温度、光线）随时间延长而发生变化的时候，系统可重新对每个像素进行多次采样曝光，图像画面作相应的调整、最终保持画面的清晰。而DSP摄像机画面则不易受到被摄场景环境和时间变化的影响，当长时间监视某一场景的时候，DSP技术摄像机会随时间、光线和温度的变化做出自动调整，使得图像的画面可以持续保持清晰。

2、操作使用性
一般来讲，DPS摄像机具体丰富的菜单内容可操作、可满足环境光线极其复杂的场合监控需求、操作性较强。DSP摄像机则不同，它对用户的操作要求并不高，人们只要打开功能菜单将它设定成宽动态功能就可以方便使用，无需针对不同光线的环境进行相应的调整。

3、低光照场景的应用
在光线较暗的场景中使用时（尤其在夜间），受低照度影响, DPS摄像机的图像效果不够理想，而DSP摄像机则可以很好的调节自身的功能，即使在低光照情况下也能正常输出清晰的图像。

4、反应速度和动态范围
DPS摄像机在处理动态效果的图像时比DSP摄像机反应速度更快，画面比较流畅，而DSP摄像机CCD的反应速度比较慢，常会出现拖尾的现象。DPS摄像机的宽动态范围与DSP摄像机的也有不同。据了解，在目前市场上，DSP摄像机的最大动态范围约在60DB，而DPS技术摄像机则可以达到120DB。JVC的谭耀明表示，由于CCD的反应速度比较慢，在拍摄快速移动的物体时，若图像明暗反差较大的话，常会出现拖尾的现象，而基于CMOS处理芯片的DPS摄像机降噪功能则较差，因而两种技术的摄像机各有优缺点。

总体来说，DSP+CCD的技术方案由于研发时间较长，发展得比较成熟，是目前主流的宽动态实现技术。但是由于研发DSP需要相当的金钱、技术、时间，拥有该项技术的还是一些日韩大厂。而DPS摄像机由于集成度较高，容易快速产品化，而且在价格上比较优惠，普及率逐渐提高。

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宽动态与其他技术的关系
宽动态技术并非一个独立的摄像机技术，它在实际的应用中是和摄像机其他功能指标或环境因素结合在一起的。例如AGC自动增益、强光抑制、低照度等与宽动态是密切相关的。CSST的技术工程师邓顺民表示，宽动态摄像机遇到光线较弱时，可以通过自动增益控制来进行调节，针对图像中光线较暗的地方可以控制曝光时间，使得自动增益功能协调摄像机以达到更好的宽动态图像效果，从而改善低照度情况下的图像质量。

实际上宽动态技术是背光补偿（BLC）与强光抑制相互结合的产物。背光补偿是完全依赖自动增益控制调节来实现图像清晰效果的，强光抑制则是背光补偿和强光屏蔽的结合技术。而宽动态技术则是结合两者特殊性为一体的技术，它同时拥有背光补偿、强光削弱、双速快门以及自动增益的多种功能，从而完完全全使得被摄场景中的各部明暗图像都能清晰地反映在画面中，因此宽动态技术与自动增益、背光补偿和强光抑制都是紧密相连的。

应用领域需拓展
安装调试很关键
应用情况
宽动态摄像机的应用情况一直是人们关注的焦点。北京康斯环讯计算机系统工程有限公司总经理黄小菲表示，宽动态摄像机多用于视场光照状况不太理想的环境，银行和交通两大场所一直是宽动态摄像机应用的主要市场。

景阳数码技术有限公司谭瑜鹤介绍说，目前宽动态摄像机主要应用于金融行业，其次是停车场、广场、大厦出入口、港口、道路收费站等强逆光场所。松下电器（中国）有限公司郭辰见也表示，宽动态摄像机现在被大量应用在金融、交通、教育等领域的监控。宽动态功能可使摄像机在光线反差较大的环境中（尤其是从室内看室外时）看清全景中每个角落的细节，如安装了玻璃窗的办公大楼大厅、银行、ATM机、商店、机场，这些位于门口、窗口等处具有明亮背景光的监控场景。在道路交通系统中，利用摄像机的宽动态功能，实现强光抑制效果可以看清车牌。

选购及安装调试
松下电器（中国）有限公司郭辰见表示，在选择宽动态摄像机时，应该从以下几个方面着手：
1、根据实际应用场所和监控目标，选择相应参数、指标、功能要求的摄像机。
2、通过样品演示，核实标出的产品参数、指标、功能是否与产品一致，实测拍摄图像的清晰度、宽动态效果、色彩还原是否真实。
3、选择可靠性高的摄像机。监控系统建成后，若摄像机的质量、可靠性不能保证，需要经常维修、调整或运行一段时间图像质量下降、损坏，这些给用户带来的损失可能超过购买摄像机的费用。
4、选择好的摄像机应该配好的镜头，这样才能表现出更好的效果。

宽动态摄像机在实际中的安装和调试中也是一个十分重要的问题。宽动态摄像机在使用中一般需要注意从场景角度出发，特别需要考虑摄像机的调试、安装位置，按照用户各种不同的需求来进行优化设定。比如从增益、角度、明暗需求等因素来设定不同的参数。这样在应用的过程中才能达到最佳的效果。深圳景阳的谭瑜鹤也表示，在低光照条件下，可以调节摄像机光圈，通过增加通光量的途径来改变图像不理想的效果。

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JVC的谭耀明介绍说，摄像机的安装角度是一个需要关注的问题，一旦出现偏差，就会造成画面遭受强光直射而画面反白。以大门口为例，若安装的时候正对着大门就不太好，此时门内和门外的照度如果反差比较大就会形成强逆光现象，这种逆光的方向很大程度上会影响图像效果造成反白和光晕，所以定点选位的时候就需要尽量避免强光线的直射，选择在尽量避开强光面对着大门的方向才会更好。

目前市场几种主流宽动态摄像机产品性能指标：

未来之路
在新的应用需求面前，宽动态摄像机还可以进一步的改进、提高。北京康斯环讯计算机系统工程有限公司黄小菲表示，宽动态摄像机还未能实现智能化的应用，很多功能并不能满足应用单位的需求，如果能够在强光场景里捕捉的图像中加入智能识别功能，那将会很大程度上帮助应用单位进行实时监控以及识别和取证工作，如在公安部门的运用就是很好的例子。同时，宽动态技术远不能达到人眼的动态效果（也许永远达不到），因此它还有继续发展的潜力。

据三星电子CCTV中国总代理伟昊公司有关人士表示，动态范围和灵敏度是两个矛盾因素，通常动态范围大的摄像机其灵敏度较低，而高灵敏度的摄像机动态范围相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下的使用状况并不是太好。这也是目前各生产宽动态摄像机厂家迫切要解决的技术问题。同时，动态范围与不同物体截面光的折射也会使宽动态摄像机效果打折扣。

松下电器（中国）有限公司的郭辰见表示，未来的宽动态技术可以从以下几个方向做出突破：1、更低照度，目前，宽动态摄像机的彩色最低照度为0.5Lux，以后提升后也许能达到0.1Lux；2、更高的快门速度，可以杜绝在拍摄快速移动物体时存在拖尾的现象；3、高清晰度，目前，宽动态摄像机的彩色水平清晰度在540线左右，今后，宽动态摄像机的彩色水平清晰度将达到600线。JVC的技术工程师谭耀明认为，若宽动态摄像机可以从感光器件、多次合成快门、色彩还原、以及反应速度等角度进行改善和提升，那么今后宽动态摄像机将会得到更广泛的应用。

关于宽动态的界定需要规范，如动态范围的换算一直存在争议，业界没有一个统一的标准规范，因此很多厂家的动态范围值在可信度上都大打折扣。同时，厂家们的宽动态技术推广有待完善，工程商们对宽动态功能的理想实现技术也有待提高，技术与销售、厂家与工程师之间相互协调、沟通要增强。因此，技术如何本地化、工程与技术如何结合、销售与技术的综合型人才培养则是业界应该关注的大问题。由此可知，市场需要厂家和工程商共同努力培育，相互了解才能更快更好的发展。

结语
宽动态技术是一个非常实用的摄像机功能，两种不同的技术竞争将会促进宽动态摄像机技术更加精益求精。在未来的发展道路上，无论哪种技术更胜一筹，考虑用户的需求才是最符合市场的。总之，宽动态成为每一款摄像机的必备功能一直是用户的心声。因此，唯有宽动态技术自身的不断提升和广泛推广及应用，才能实现这个目标，从而走进千家万户。

当一统天下遭遇后起之秀 宽动态技术更需精益求精