細說安防寬動態:背光補償與二次曝光

在安防監控應用中，經常會出現明暗反差較大或逆光的場景，例如對準大門或窗戶拍攝；由于整個圖像中明亮的區域曝光過度，較暗的區域欠曝光，從而不能看清楚圖像最亮與最暗部分，即高亮的部分成像為白色，暗部呈現為黑色。早期采用背光補償技術，或干脆放置兩臺攝像機來適應較大的光線反差，但效果不是非常理想，因此誕生了寬動態技術，較好地解決了這一問題。

對于標準的CCD和CMOS圖像傳感器來說，所有感光單元的曝光(收集光子)時間都是相同的；在相同的時間內，感光單元對畫面明亮部分收集的光子較多，對陰暗部分收集的光子則較少。但是，感光單元能夠收集的光子數量還受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物體較亮色調的感光單元有可能會溢出或飽和；為防止出現這種情況，可以減少曝光時間。但如果這樣做，捕捉物體較暗色調的感光單元可能又無法收集到足夠多的光，無法成像。

即對于典型的單次曝光的圖像傳感器來說，如果曝光時間過長，則明亮部分的像素將出現溢出，呈現白色；而如果降低曝光時間，則較暗部分的像素將由于沒有足夠的光，呈現黑色。

所以攝像機的寬動態(WDR，WideDynamicRange)能力對于視頻監控來說是非常重要的指標之一。攝像機的動態范圍越大，則視頻監控畫面所呈現的細節就更豐富，色彩空間更廣，逆光拍攝的能力就越強。

寬動態能力一般用“動態范圍”來表述，即亮度變化值的最低端極點到最高端極點之間的區域。在量化描述上，通常采用視頻幀中可識別的最亮亮度信號值與最暗亮度信號值的比值(×倍)；可按照換算公式：NdB=20log(亮度比值)將上述比值以分貝(dB)標示。

寬動態技術

背光/逆光補償

背光補償，也稱為逆光補償，是早期應對強光或強逆光視頻監控環境的方法，它的原理是：

在強光或強逆光等環境下，由于視場中包含一個很亮的區域，導致AGC檢測到的信號電平并不低，因此放大器的增益很低，此時畫面中希望拍攝的目標成像昏暗，無層次。背光補償技術是把畫面分成幾個不同的區域，攝像機根據各個區域的平均信號電平來確定AGC電路增益；背光補償技術提高AGC放大器的增益，使輸出信號的幅值提高，從而使被拍攝目標的亮度提升，監控畫面的可視性得到改善。

由于逆光補償只是簡單提升了拍攝目標的亮度，沒有實際拓展動態范圍，所以改善效果有限；對亮區很容易過曝，整體圖像質量和色彩還原等都會有一定的下降。

二次/多次曝光技術

傳統的CCD/CMOS圖像傳感器在采集一幅圖像的過程中只對整個圖像采樣一次，這樣圖像中超出動態范圍之外的明亮、較暗區域就會出現過度曝光，欠曝光的現象。

二次/多次曝光技術中圖像傳感器對場景進行二次或多次曝光，每次曝光的時間長度不同；然后用圖像合成算法對不同曝光的畫面進行處理和重新組合，這樣就能同時兼顧畫面中明亮、較暗區域，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚；該功能在圖像傳感器動態范圍性能沒有提升的情況下，將攝像機的有效動態范圍進行了擴展。

由于CCD圖像傳感器讀取速度的限制，即使采用二次曝光取樣方式，攝像機的寬動態范圍最大只能到72dB。而當前采用CMOS圖像傳感器的攝像機采用二次曝光技術已經可以達到90dB以上的動態范圍。

但二次/多次曝光技術也有其明顯的局限性——動態物體拍攝。以二次曝光為例，對于在畫面中以較高速度運動的物體，短曝光和長曝光拍攝到的物**于畫面的不同位置，算法如何將不同位置的物體整合為一個成為難題。所以，采用多次曝光技術的寬動態攝像機一般只能用于目標對象運動速度較慢的監控場景中；如果畫面中有較快運動的目標，則會因出現鬼影等問題導致場景嚴重失真。