监控摄像机动态范围的几种测试方法

　　所谓宽动态实际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。而 “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)

　　(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(2)USp-p为输出信号峰值电压。

　　因此，宽动态就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚，宽动态范围就是图像能分辨最亮的亮度信号值与能分辨的最暗的亮光信号值的比值。

　　显然，确定摄像机成像器的动态范围的方法主要有两种：一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息由上述公式计算得出;另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像，并测量影像级别的方法得出。尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值，但通常人们还是倾向于使用测量的方法，因为它能反映用户对摄像机成像效果的实际体验。下面就具体介绍国外三大厂家对摄像机动态范围的实际测试方法。