解读宽动态摄像机技术
时间：2011-01-04 阅读：1855
动态范围zui早是信号系统的概念，一个信号系统的动态范围被定义成zui大不失真电平和噪声电平的差。而在实际用途中，多用对数和比值来表示一个信号系统的动态范围，比如在音频工程中，一个放大器的动态范围可以表示为：D=log（Power_max/Power_min）×10。
数字像机也可看作一个信号系统，所以动态范围可分为两个部分，即光学动态范围和输出动态范围。
光学动态范围
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显现为白色，而晦暗区域因曝光不足成为黑色。可见，摄像机在同一场景中对zui亮区域及较暗区域的表现是存在着局限的，这种局限我们通常称为光线的“动态范围”。其广义是指摄像机对拍摄场景中景物光照反应的适应能力，主要是亮度差和色温反差的适应范围。
光学动态范围（DR_Optical）=饱和曝光量/噪声曝光量（暗电流）。
数字相机的光学动态范围主要是由图像传感器决定的。其中饱和曝光量指的是图像传感器达到zui大的饱和容量时的曝光量，即无论再怎样增加曝光也无法接受更多的电子了。噪声曝光量相当于在全黑环境时图像传感器仅仅有本身暗电流时的曝光量。图像传感器的动态范围定义公式如下：动态范围（db）=20*log（全电荷容量/暗电流容量）图像传感器的动态范围定义的是传感器件zui大蓄积电荷和zui小噪声电荷的倍数关系。而摄像机的（光学）动态范围指的是其传感器达到这两种状态下对应的曝光量的倍数关系。
输出动态围
目前市场上使用的摄像机内都含有DSP（数字信号处理系统）。摄像机的图像是以数字的形式再通过D/A转换成模拟后输出，所以输出动态范围主要由A/D位数决定。位数是决定数字图像系统的一个重要指标，对于一个数字图像系统，信息的存储zui终是以数字的方式来进行。所以该系统中必定有一个模拟/数字转换器（A/DConverter）。而A/D转换器的一个重要指标就是A/D的位数。
对于3位2进制来说，可以表达的zui大值是2的3次方即8。8位2进制可以表达的数值范围是0-255，16位的范围是0-65535等。
那么什么是A/D转换器的动态范围呢？对于一个8位的A/D，它可以记录的zui小信号是1，zui大信号是255，那么它的动态范围就是log（255/1）=2.4。这个值显然是不大的。但是注意不要把8位的A/D和8位的色深搞混了。在彩色系统里一共有3个通道，这里的8位指的是每个通道的位数。对于彩色来讲就是24位，也就是我们常说的真彩色。
实际上对于8位的JPG文件来说，能表达的亮度信息也就是这么多。这就是数字和模拟系统的不同之处。但实际上为了保留更大的余量和采用更好的输出方法，基本上各个厂商都采用14bit甚至16bit的A/D转换器。
对于数字系统，位数和动态范围的对应关系，可以说A/D转换器的动态范围对于图像成像的色彩至关重要，A/D转换器的动态范围越大，对于图像来说更加能够反映所摄物体的自然色。
多种宽动态技术齐放光彩
1997年松下推出基于其SD技术的*代超动态技术摄像机，到今天为止，宽动态技术已发展到第三代。各大主要摄像机生产商也都相应推出了带有超宽动态技术的摄像机。虽然在实现宽动态上各家的做法方式多种多样，但CCD实现宽动态的道理基本一致。这一类型的摄像机采用了的DSP电路，首先对明亮的被摄物体用的快门速度进行曝光，然后，再对暗的被摄物体用的快门速度进行曝光，zui后将这两个图像用DSP数字信号处理，将捕捉到的两幅图像重新组和在一张可视图像上。扩大了可能处理的动态范围，使得明亮的被摄物体和暗的被摄物体都可以看得很清楚。但经过这样处理后的图像会失去其原有的色彩效果，这也是当前宽动态摄像机面临的zui大问题。
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——DPS，此系统可以通过其*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的影像拍摄效果，可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。在动态范围上，DPS采用的单一象素曝光和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，zui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，完够满足不同条件下不同客户的要求。使用这种技术的摄像机在数字图像传感器里每一个象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，zui大程度上降低了信号在排列中的衰减和干扰。
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