光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)使用場(chǎng)景

　　寬動(dòng)態(tài)、強(qiáng)光抑制等技術(shù)在平安城市、智能交通等行業(yè)中應(yīng)用較多，應(yīng)用時(shí)間上主要在夜間，使用場(chǎng)景是運(yùn)動(dòng)的車輛大燈以及路燈、店鋪霓虹燈等復(fù)雜的光環(huán)境，這種環(huán)境下就需要寬動(dòng)態(tài)等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控畫面不受影響。

　　強(qiáng)光抑制功能在平安城市的應(yīng)用中主要是降低汽車大燈照射的影響，但如果寬動(dòng)態(tài)范圍足夠大，大到把汽車大燈的亮度也能包含內(nèi)，就可以覆蓋強(qiáng)光抑制及背光補(bǔ)償?shù)裙δ?，所以寬?dòng)態(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(yīng)對(duì)技術(shù)分類及原理

　　光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)主要包含寬動(dòng)態(tài)、強(qiáng)光抑制及背光補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。寬動(dòng)態(tài)一般是指攝像機(jī)適應(yīng)照度反差(變化范圍)的能力。背光補(bǔ)償也稱作逆光補(bǔ)償或逆光補(bǔ)正，一般指攝像機(jī)在逆光環(huán)境下拍攝時(shí)可以彌補(bǔ)畫面主體黑暗缺陷的能力，早期寬動(dòng)態(tài)技術(shù)實(shí)際上就是背光補(bǔ)償技術(shù)，因此背光補(bǔ)償技術(shù)可以歸納在寬動(dòng)態(tài)技術(shù)范圍之內(nèi)。強(qiáng)光抑制一般指攝像機(jī)將視頻的信號(hào)亮度調(diào)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(shù)中以寬動(dòng)態(tài)技術(shù)為核心。

　　以寬動(dòng)態(tài)技術(shù)為例，實(shí)現(xiàn)方式一般有雙曝光技術(shù)和多重取樣技術(shù)等。雙曝光技術(shù)是目前視頻監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟廣泛的技術(shù)，該技術(shù)又稱雙快門技術(shù)，是指攝像機(jī)針對(duì)明暗反差較大的場(chǎng)景進(jìn)行兩次曝光合成畫面的技術(shù)。其中一次曝光為針對(duì)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(jìn)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(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更大的寬動(dòng)態(tài)范圍，寬動(dòng)態(tài)效果更好。

　　原任職于公安一所現(xiàn)為本刊技術(shù)顧問(wèn)李仲男介紹說(shuō)：多重取樣技術(shù)也可稱為多通道技術(shù)，該技術(shù)是指利用CMOS傳感器分別處理像素信號(hào)的功能，對(duì)一幀(一場(chǎng))圖像進(jìn)行空間域處理的技術(shù)，具體指對(duì)攝像機(jī)感光單元每幀(場(chǎng))積累的電荷進(jìn)行多次取樣。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是在器件的輸出(取樣)過(guò)程中進(jìn)行的。這過(guò)程的實(shí)現(xiàn)依靠的是DPS(數(shù)字像素傳感)技術(shù)——DPS是根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理理論的數(shù)學(xué)模型和算法設(shè)計(jì)出來(lái)的高集成硬化微處理器，專門進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，DSP芯片可進(jìn)行諸如二維數(shù)字濾波、數(shù)字動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)、數(shù)字背景光補(bǔ)償、細(xì)節(jié)補(bǔ)償頻率調(diào)節(jié)等功能——DPS可分析畫面的亮度值及變化趨勢(shì)并控制曝光時(shí)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(dāng)于對(duì)不同亮度區(qū)域進(jìn)行曝光時(shí)間控制。

　　李仲男介紹道，多次曝光與多重取樣技術(shù)實(shí)質(zhì)上都有對(duì)圖像進(jìn)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(jīng)典的圖像處理技術(shù)。

　　雙曝光方式是對(duì)圖像進(jìn)行整幅的調(diào)節(jié)，多重取樣是每個(gè)像素的調(diào)節(jié)，顯然，后者在技術(shù)上更合理，實(shí)際效果也要好一些。

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

　　實(shí)際上、人的視覺分辨亮度差別的級(jí)數(shù)是有限的，既攝像機(jī)可顯示的亮度級(jí)數(shù)是有限的。這既決定了寬動(dòng)態(tài)是有限值的，也說(shuō)明了寬動(dòng)態(tài)不是指標(biāo)越高越好。

　　其他影響光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)的因素

　　施清平介紹說(shuō)：芯片是光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)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(guó)外芯片廠商，一般在技術(shù)研發(fā)商都把精力放在算法上面，即數(shù)字寬動(dòng)態(tài)技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)數(shù)字寬動(dòng)態(tài)效果遠(yuǎn)不如以芯片為基礎(chǔ)的寬動(dòng)態(tài)效果，這點(diǎn)a&s在實(shí)際檢測(cè)中也得到了印證

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

　　鏡頭因素雖然經(jīng)常被人忽視，但實(shí)際上非常重要。鏡頭對(duì)光環(huán)境應(yīng)對(duì)能力主要因素影響因素之一是自動(dòng)光圈，由于自動(dòng)光圈是根據(jù)攝像機(jī)的平均通光量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)光圈大小，比如在夜間的時(shí)候光圈會(huì)自動(dòng)調(diào)整到最大，如果此時(shí)突然有車燈照射，自動(dòng)光圈會(huì)突然縮小，而此時(shí)暗部的畫面細(xì)節(jié)就會(huì)丟失掉。所以鏡頭的自動(dòng)光圈會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題，最近市場(chǎng)上開始推廣P-Iris鏡頭，可以達(dá)到精確控制光通量的效果，但是價(jià)格較高。另外一個(gè)因素是鏡頭的光圈值，普遍來(lái)看鏡頭的光圈值達(dá)不到標(biāo)稱值，尤其是國(guó)產(chǎn)鏡頭。一般來(lái)說(shuō)，光圈主要影響的性能是低照度，寬動(dòng)態(tài)等的影響相對(duì)小一些。其三是鏡頭鍍膜，這個(gè)非常關(guān)鍵，如果鍍膜不好的話會(huì)形成鬼影、光斑等，在復(fù)雜光環(huán)境下的光環(huán)境應(yīng)對(duì)能力就會(huì)大打折扣?？傮w來(lái)說(shuō)鏡頭這方面不如傳感器、芯片等受到重視，但實(shí)際上好的鏡頭對(duì)攝像機(jī)的光環(huán)境適應(yīng)等性能上有很好的幫助。

　　一般來(lái)說(shuō)編碼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)寬動(dòng)態(tài)等效果沒有太大的影響。因?yàn)楫嬅尜|(zhì)量在傳感器、IP處理這一層已經(jīng)決定了。但是SVAC編碼有所不同，因?yàn)镾VAC支持10比特的編碼，而其采用其他編碼的攝像機(jī)基本上都是支持8比特的，這樣芯片比較寬的動(dòng)態(tài)范圍在編碼的時(shí)候就會(huì)壓縮，壓縮后的結(jié)果就是會(huì)損失掉很多信息。SVAC多2比特，這樣支持的動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，可以支持到16比特，基本上可以將前端采集過(guò)來(lái)的圖像原汁原味的放進(jìn)去，更多的保留了畫面細(xì)節(jié)。

　　視頻監(jiān)控已經(jīng)逐漸由模擬標(biāo)清時(shí)代邁向數(shù)字高清時(shí)代，4K高清的技術(shù)也初現(xiàn)端倪。對(duì)于視頻監(jiān)控清晰度的影響，施清平認(rèn)為高清時(shí)代里像素點(diǎn)縮小了，給芯片帶來(lái)感光、加工等問(wèn)題;然后模擬時(shí)代普遍采用CCD傳感器，數(shù)字高清時(shí)代CMOS是主流，應(yīng)對(duì)光環(huán)境的技術(shù)處理會(huì)不一樣。但無(wú)論攝像機(jī)是模擬型還是數(shù)字型，對(duì)寬動(dòng)態(tài)等光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)影響不大。施清平認(rèn)為4K技術(shù)目前來(lái)看還比較遙遠(yuǎn)，雖然很多廠家已經(jīng)做出來(lái)了產(chǎn)品，但實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。4K技術(shù)帶來(lái)的主要問(wèn)題是像素點(diǎn)更小，對(duì)復(fù)雜光源環(huán)境更難處理。

　　技術(shù)提升空間

　　施清平認(rèn)為寬動(dòng)態(tài)等光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)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(huì)越做越復(fù)雜，而且也不一定能適應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜的光環(huán)境。從芯片、傳感器等源頭方面解決問(wèn)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(gè)很好的詮釋。而光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)的極限提升空間施總認(rèn)為應(yīng)該是像素點(diǎn)的曝光，即針對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)決定曝光時(shí)間。目前一幀一幀的曝光，其缺點(diǎn)是一個(gè)畫面只能取一個(gè)平均值，會(huì)漏掉很多動(dòng)態(tài)范圍之外的東西。而根據(jù)每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行不同時(shí)間的曝光，比如暗的地方曝光時(shí)間可以長(zhǎng)一些。亮的地方曝光時(shí)間會(huì)短一些，這方面的技術(shù)主要是將傳感器芯片進(jìn)行智能整合，是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的極限性解決方法。

　　光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及問(wèn)題

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

　　1.反射式測(cè)試卡方式，采用反射式測(cè)試卡，對(duì)其進(jìn)行分別的照明，一部分高照度，一部分低照度，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩個(gè)照明，當(dāng)兩部分都能顯示出區(qū)域內(nèi)相關(guān)圖形(亮度臺(tái)階或黑白條)時(shí)，分別測(cè)量?jī)刹糠值恼斩戎?，再?jì)算出動(dòng)態(tài)范圍。

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

　　2.透視測(cè)試卡方式，采用燈箱和帶有多級(jí)數(shù)灰度臺(tái)階條的透視卡。按設(shè)定值進(jìn)行照明，然后觀察灰度臺(tái)階條，測(cè)量可以分辨的臺(tái)階數(shù)。燈箱的亮度是設(shè)定的，各臺(tái)階對(duì)應(yīng)的照度就是確定的，根據(jù)臺(tái)階數(shù)即可推算出動(dòng)態(tài)范圍。多級(jí)數(shù)灰度臺(tái)階(又稱光楔)的制作和計(jì)量是關(guān)鍵，比如，30多階的光楔。難點(diǎn)是：測(cè)試時(shí)很難判斷亮度臺(tái)階是否可分辨。

　　在透視卡制作兩個(gè)不同區(qū)域，上面印有規(guī)定的圖形，光箱對(duì)其進(jìn)行分別的照明，形成最亮區(qū)和最暗區(qū)，其余部分(應(yīng)超過(guò)圖像一半)用正常照明，作為圖像的中間層次。再進(jìn)行上述的測(cè)試，推算出動(dòng)態(tài)范圍值。李仲男認(rèn)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(wèn)題，雖是測(cè)量相同的量，但結(jié)果差別很大。

　　還有一種測(cè)試方法，不直接測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，而是測(cè)量因?qū)拕?dòng)態(tài)的作用，導(dǎo)致攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大的倍數(shù)，既是寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)獲得最大輸出時(shí)的景物照度與不采用(關(guān)斷)寬動(dòng)態(tài)技術(shù)時(shí)最大照度的比值。由于不采用寬動(dòng)態(tài)技術(shù)時(shí)的最大照度不好測(cè)量，所以用測(cè)量攝像機(jī)輸出50%白電平時(shí)的照度來(lái)代替，因此數(shù)值差6分貝。

　　另?yè)?jù)接受采訪的視頻監(jiān)控廠商反應(yīng)，認(rèn)為以上測(cè)試手段都屬于靜態(tài)測(cè)試，而攝像機(jī)面對(duì)的場(chǎng)景往往是動(dòng)態(tài)的甚至高速的，因而還建議增加在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的光環(huán)境應(yīng)對(duì)能力檢測(cè)。如采用二次曝光的寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在監(jiān)控高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較為明顯的拖影現(xiàn)象，而采用多重取樣技術(shù)的攝像機(jī)則克服類似問(wèn)題。

　　結(jié)語(yǔ)

　　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(fù)雜光環(huán)境場(chǎng)景中，光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)是視頻監(jiān)控廠商必須重視的技術(shù)，然而目前來(lái)看光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)仍未受到足夠的重視，在缺乏統(tǒng)一權(quán)威的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的情況下，很多廠商出現(xiàn)虛標(biāo)寬動(dòng)態(tài)范圍的現(xiàn)象。此外由于國(guó)內(nèi)廠商受限于芯片生產(chǎn)源的限制，很難從根源上解決問(wèn)題。由于考慮到生產(chǎn)成本的問(wèn)題，很多攝像機(jī)在配備鏡頭等配件的時(shí)候也往往選擇最廉價(jià)的，在一定程度上也影響到了光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)的發(fā)展。

　　總體來(lái)看，光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，在芯片、鏡頭、技術(shù)重視程度甚至視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)上都可以下功夫，在需要應(yīng)對(duì)復(fù)雜光環(huán)境的場(chǎng)景中，優(yōu)秀的光環(huán)境應(yīng)對(duì)技術(shù)可以讓視頻監(jiān)控更得心應(yīng)手，更好地守護(hù)人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。