CCD与CMOS摄像机宽动态性能的比较

　　引言

　　自然光线的排列是从120000Lux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10000Lux，对比就是10000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度，然而传统的安防监控摄像机则不行，因为它只有3:1的对比性能。因此，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）。这是摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。最早的解决方法，一般会采用背光补偿技术或在室内外放置两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不理想，从而诞生了扩展动态范围的技术，即现在所说的宽动态WDR（Wide Dynamic Range）技术。

　　宽动态是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。“动态范围”广义上说是指某一变化事物可能改变的跨度，即其变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域，此区域的描述一般为最高点与最低点之间的差值。摄像机的“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。即表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮”的调整范围，是静态图像或视频帧中最亮色调与最暗色调的比值。而色调能呈现出图像或帧中的精准细节，作为两种色调的比值，动态范围的单位可以是分贝、比特、档，或者简单以比率或倍数来表示。（各种单位之间的换算方法如表1所示）
 

▲表1   动态范围各单位之间的换算方法

　　表1仅列出了20档动态范围，因为这几乎涵盖了人眼所能分辨的所有动态范围，超过这些档位的动态范围已没有太大的实际意义。人眼之所以能分辨出跨度如此之广的动态范围，是因为人在观察实景时，瞳孔、虹膜、视网膜和相关肌肉会相互作用、动态调整，同时，大脑会将所有“曝光元素”整合为一幅连贯的图像，极其精准地反映出实景中十分明亮或十分暗淡的色调。

　　与人眼相比，对于标准CCD和CMOS图像传感器来说，所有感光单元的曝光（收集光子）时间都是相同的。感光单元对景物明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量却受到阱容量 (well capacity)的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和。为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光子。因此，对于典型的单次曝光的图像传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比。因此，CCD摄像器件的动态范围是指其输出的饱和电压与暗场下噪声峰-峰电压之比，即：

　　动态范围=Usat/UNp-p        (1)

　　式中，Usat为输出饱和电压；UNP-P为噪声的峰-峰值。

　　显然，动态范围也可这样来定义和计算，即由CCD势阱中可存贮的最大电荷量和噪声所决定的电荷量之比；其数值也是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比(通常用dB表示)，即：

　　动态范围=USp-p/UNp-p        (2)

　　式中，USp-p为输出信号峰值电压。

　　为了弥补标准CCD和CMOS图像传感器动态范围的不足，以松下为首的厂商采用了两次曝光取样法，即先进行一次时间较短的曝光，重置像素后，再进行一次时间较长的曝光。然后，用两次曝光得出的像素数据计算出图像中所有像素的色调信息。这样虽然增大了图像中最亮色调与最暗色调的比值，但却大大牺牲了中间色调的成像效果。实际上，这种方法产生的像素只是图像处理器凭借两次曝光信息“猜测”出的最佳值。

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