光環(huán)境應對技術使用場景

　　寬動態(tài)、強光抑制等技術在平安城市、智能交通等行業(yè)中應用較多，應用時間上主要在夜間，使用場景是運動的車輛大燈以及路燈、店鋪霓虹燈等復雜的光環(huán)境，這種環(huán)境下就需要寬動態(tài)等技術來實現(xiàn)視頻監(jiān)控畫面不受影響。

　　強光抑制功能在平安城市的應用中主要是降低汽車大燈照射的影響，但如果寬動態(tài)范圍足夠大，大到把汽車大燈的亮度也能包含內，就可以覆蓋強光抑制及背光補償?shù)裙δ埽詫拕討B(tài)功能是核心，也是目前大部分視頻監(jiān)控廠商主要研究開發(fā)的方向。

　　光環(huán)境應對技術分類及原理

　　光環(huán)境應對技術主要包含寬動態(tài)、強光抑制及背光補償?shù)燃夹g。寬動態(tài)一般是指攝像機適應照度反差(變化范圍)的能力。背光補償也稱作逆光補償或逆光補正，一般指攝像機在逆光環(huán)境下拍攝時可以彌補畫面主體黑暗缺陷的能力，早期寬動態(tài)技術實際上就是背光補償技術，因此背光補償技術可以歸納在寬動態(tài)技術范圍之內。強光抑制一般指攝像機將視頻的信號亮度調整為正常范圍，避免同一圖像中前后反差太大的能力。三種技術中以寬動態(tài)技術為核心。

　　以寬動態(tài)技術為例，實現(xiàn)方式一般有雙曝光技術和多重取樣技術等。雙曝光技術是目前視頻監(jiān)控領域應用較為成熟廣泛的技術，該技術又稱雙快門技術，是指攝像機針對明暗反差較大的場景進行兩次曝光合成畫面的技術。其中一次曝光為針對明亮區(qū)域的快速曝光，另一次為針較暗區(qū)域的慢速曝光，兩次曝光分別取得明亮區(qū)域和較暗區(qū)域的清晰圖像，最后將兩幅圖像進行疊加而成一張明暗反差較小的圖像。

　　中星電子股份有限公司總工程師施清平介紹道，目前有些廠商如松下研發(fā)了四次曝光技術，可以實現(xiàn)更大的寬動態(tài)范圍，寬動態(tài)效果更好。

　　原任職于公安一所現(xiàn)為本刊技術顧問李仲男介紹說：多重取樣技術也可稱為多通道技術，該技術是指利用CMOS傳感器分別處理像素信號的功能，對一幀(一場)圖像進行空間域處理的技術，具體指對攝像機感光單元每幀(場)積累的電荷進行多次取樣。該技術的實現(xiàn)過程是在器件的輸出(取樣)過程中進行的。這過程的實現(xiàn)依靠的是DPS(數(shù)字像素傳感)技術——DPS是根據(jù)數(shù)字信號處理理論的數(shù)學模型和算法設計出來的高集成硬化微處理器，專門進行數(shù)字信號處理，DSP芯片可進行諸如二維數(shù)字濾波、數(shù)字動態(tài)圖像檢測、數(shù)字背景光補償、細節(jié)補償頻率調節(jié)等功能——DPS可分析畫面的亮度值及變化趨勢并控制曝光時間并決定該次取樣是否輸出，如畫面明亮部分只需第一次取樣即可輸出，較暗部分則需要最后一次取樣才輸出，相當于對不同亮度區(qū)域進行曝光時間控制。

　　李仲男介紹道，多次曝光與多重取樣技術實質上都有對圖像進行亮度密度分布的變換。將不良圖像的亮度密度分布變換為符合人眼視覺特性的形狀，是最經典的圖像處理技術。

　　雙曝光方式是對圖像進行整幅的調節(jié)，多重取樣是每個像素的調節(jié)，顯然，后者在技術上更合理，實際效果也要好一些。

　　但是這樣的處理可能出現(xiàn)兩個問題：一是在明亮端部分圖像分辨率會降低;二是變換后，圖像會缺乏層次感。

　　實際上、人的視覺分辨亮度差別的級數(shù)是有限的，既攝像機可顯示的亮度級數(shù)是有限的。這既決定了寬動態(tài)是有限值的，也說明了寬動態(tài)不是指標越高越好。

　　其他影響光環(huán)境應對技術的因素

　　施清平介紹說：芯片是光環(huán)境應對技術最核心的部分，然而大部分視頻監(jiān)控廠商在芯片貨源上受制于國外芯片廠商，一般在技術研發(fā)商都把精力放在算法上面，即數(shù)字寬動態(tài)技術。一般來說數(shù)字寬動態(tài)效果遠不如以芯片為基礎的寬動態(tài)效果，這點a&s在實際檢測中也得到了印證

　　除了芯片的關鍵因素之外，還有哪些因素對光環(huán)境應對技術有影響呢?在a&s對廠商的采訪中我們了解到，鏡頭、視頻編碼技術甚至攝像機清晰度也對光環(huán)境應對技術有非常重要的影響。

　　鏡頭因素雖然經常被人忽視，但實際上非常重要。鏡頭對光環(huán)境應對能力主要因素影響因素之一是自動光圈，由于自動光圈是根據(jù)攝像機的平均通光量來進行調節(jié)光圈大小，比如在夜間的時候光圈會自動調整到最大，如果此時突然有車燈照射，自動光圈會突然縮小，而此時暗部的畫面細節(jié)就會丟失掉。所以鏡頭的自動光圈會帶來新的問題，最近市場上開始推廣P-Iris鏡頭，可以達到精確控制光通量的效果，但是價格較高。另外一個因素是鏡頭的光圈值，普遍來看鏡頭的光圈值達不到標稱值，尤其是國產鏡頭。一般來說，光圈主要影響的性能是低照度，寬動態(tài)等的影響相對小一些。其三是鏡頭鍍膜，這個非常關鍵，如果鍍膜不好的話會形成鬼影、光斑等，在復雜光環(huán)境下的光環(huán)境應對能力就會大打折扣。總體來說鏡頭這方面不如傳感器、芯片等受到重視，但實際上好的鏡頭對攝像機的光環(huán)境適應等性能上有很好的幫助。

　　一般來說編碼標準對寬動態(tài)等效果沒有太大的影響。因為畫面質量在傳感器、IP處理這一層已經決定了。但是SVAC編碼有所不同，因為SVAC支持10比特的編碼，而其采用其他編碼的攝像機基本上都是支持8比特的，這樣芯片比較寬的動態(tài)范圍在編碼的時候就會壓縮，壓縮后的結果就是會損失掉很多信息。SVAC多2比特，這樣支持的動態(tài)范圍更寬。后面中星電子與公安一所還在制定SVAC2.0的標準，可以支持到16比特，基本上可以將前端采集過來的圖像原汁原味的放進去，更多的保留了畫面細節(jié)。

　　視頻監(jiān)控已經逐漸由模擬標清時代邁向數(shù)字高清時代，4K高清的技術也初現(xiàn)端倪。對于視頻監(jiān)控清晰度的影響，施清平認為高清時代里像素點縮小了，給芯片帶來感光、加工等問題;然后模擬時代普遍采用CCD傳感器，數(shù)字高清時代CMOS是主流，應對光環(huán)境的技術處理會不一樣。但無論攝像機是模擬型還是數(shù)字型，對寬動態(tài)等光環(huán)境應對技術影響不大。施清平認為4K技術目前來看還比較遙遠，雖然很多廠家已經做出來了產品，但實際應用還有很長的路要走。4K技術帶來的主要問題是像素點更小，對復雜光源環(huán)境更難處理。

　　技術提升空間

　　施清平認為寬動態(tài)等光環(huán)境應對技術的主要提升空間還是在傳感器/芯片上，現(xiàn)在大部分廠家還是在多次曝光、算法上去做文章，雖然這方面也有提升空間，但是會越做越復雜，而且也不一定能適應越來越復雜的光環(huán)境。從芯片、傳感器等源頭方面解決問題才是最主要的，這方面中星電子正在開發(fā)的24比特曝光輸出芯片就是一個很好的詮釋。而光環(huán)境應對技術的極限提升空間施總認為應該是像素點的曝光，即針對每一個像素點決定曝光時間。目前一幀一幀的曝光，其缺點是一個畫面只能取一個平均值，會漏掉很多動態(tài)范圍之外的東西。而根據(jù)每一個像素點進行不同時間的曝光，比如暗的地方曝光時間可以長一些。亮的地方曝光時間會短一些，這方面的技術主要是將傳感器芯片進行智能整合，是一個非常有挑戰(zhàn)性的極限性解決方法。

　　光環(huán)境應對技術測試標準及問題

　　據(jù)李仲男顧問介紹，目前各廠家測試方法理論相同，都是用被測攝像機攝取一張照度反差很大的圖像，再根據(jù)圖像可以達到的分辨能力(亮度差、細節(jié))，分別測量出圖像中最亮與最低部分的照度，然后計算出動態(tài)范圍值。主要有反射式測試卡檢測、透視測試卡檢測等：

　　1.反射式測試卡方式，采用反射式測試卡，對其進行分別的照明，一部分高照度，一部分低照度，適當調節(jié)兩個照明，當兩部分都能顯示出區(qū)域內相關圖形(亮度臺階或黑白條)時，分別測量兩部分的照度值，再計算出動態(tài)范圍。

　　這種方法要求兩個照明不能互相干擾(主要是亮影響暗)，這是有難度的。同時、把圖像分成照度反差極端的兩部分，與實際場景不符合。

　　2.透視測試卡方式，采用燈箱和帶有多級數(shù)灰度臺階條的透視卡。按設定值進行照明，然后觀察灰度臺階條，測量可以分辨的臺階數(shù)。燈箱的亮度是設定的，各臺階對應的照度就是確定的，根據(jù)臺階數(shù)即可推算出動態(tài)范圍。多級數(shù)灰度臺階(又稱光楔)的制作和計量是關鍵，比如，30多階的光楔。難點是：測試時很難判斷亮度臺階是否可分辨。

　　在透視卡制作兩個不同區(qū)域，上面印有規(guī)定的圖形，光箱對其進行分別的照明，形成最亮區(qū)和最暗區(qū)，其余部分(應超過圖像一半)用正常照明，作為圖像的中間層次。再進行上述的測試，推算出動態(tài)范圍值。李仲男認為這是比較可行的方法。

　　上述兩方法，是相同的，都存在一些問題，雖是測量相同的量，但結果差別很大。

　　還有一種測試方法，不直接測量動態(tài)范圍，而是測量因寬動態(tài)的作用，導致攝像機動態(tài)范圍擴大的倍數(shù)，既是寬動態(tài)攝像機獲得最大輸出時的景物照度與不采用(關斷)寬動態(tài)技術時最大照度的比值。由于不采用寬動態(tài)技術時的最大照度不好測量，所以用測量攝像機輸出50%白電平時的照度來代替，因此數(shù)值差6分貝。

　　另據(jù)接受采訪的視頻監(jiān)控廠商反應，認為以上測試手段都屬于靜態(tài)測試，而攝像機面對的場景往往是動態(tài)的甚至高速的，因而還建議增加在動態(tài)場景下的光環(huán)境應對能力檢測。如采用二次曝光的寬動態(tài)攝像機在監(jiān)控高速運動物體時往往會產生較為明顯的拖影現(xiàn)象，而采用多重取樣技術的攝像機則克服類似問題。

　　結語

　　由于視頻監(jiān)控很大一部分是用在平安城市、智能交通等復雜光環(huán)境場景中，光環(huán)境應對技術是視頻監(jiān)控廠商必須重視的技術，然而目前來看光環(huán)境應對技術仍未受到足夠的重視，在缺乏統(tǒng)一權威的測試標準的情況下，很多廠商出現(xiàn)虛標寬動態(tài)范圍的現(xiàn)象。此外由于國內廠商受限于芯片生產源的限制，很難從根源上解決問題。由于考慮到生產成本的問題，很多攝像機在配備鏡頭等配件的時候也往往選擇最廉價的，在一定程度上也影響到了光環(huán)境應對技術的發(fā)展。

　　總體來看，光環(huán)境應對技術還有很大的發(fā)展空間，在芯片、鏡頭、技術重視程度甚至視頻壓縮標準上都可以下功夫，在需要應對復雜光環(huán)境的場景中，優(yōu)秀的光環(huán)境應對技術可以讓視頻監(jiān)控更得心應手，更好地守護人們的生命、財產安全。