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在視頻監(jiān)控方面寬動態(tài)技術(shù)有什么作用

電子設(shè)計(jì) ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2018-10-25 08:53 ? 次閱讀

在技術(shù)發(fā)展和用戶的需求的催生下,寬動態(tài)攝像機(jī)孕育而生,經(jīng)歷了三代技術(shù)的升級,寬動態(tài)技術(shù)給社會帶來的好處不言而喻,正所謂金無足赤,人無完人,所以我們應(yīng)該正確認(rèn)識這一技術(shù)的發(fā)展,接下來跟大家一起分享一下寬動態(tài)攝像機(jī)的現(xiàn)狀。

一、寬動態(tài)攝像機(jī)的技術(shù)、功能介紹

寬動態(tài)技術(shù)是在非常強(qiáng)烈的對比下讓攝像機(jī)看到影像的特色而運(yùn)用的一種技術(shù)。

當(dāng)在強(qiáng)光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時,攝像機(jī)輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色,而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色,嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。攝像機(jī)在同一場景中對最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的,這種局限就是通常所講的“動態(tài)范圍”。

廣義上的“動態(tài)范圍”是指某一變化的事物可能改變的跨度,即其變化值的最低端極點(diǎn)到最高端極點(diǎn)之間的區(qū)域,此區(qū)域的描述一般為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的差值。這是一個應(yīng)用非常廣泛的概念,在談及攝像機(jī)產(chǎn)品的拍攝圖像指標(biāo)時,一般的“動態(tài)范圍”是指攝像機(jī)對拍攝場景中景物光照反射的適應(yīng)能力,具體指亮度(反差)及色溫(反差)的變化范圍。

寬動態(tài)攝像機(jī)比傳統(tǒng)只具有3:1動態(tài)范圍的攝像機(jī)超出了幾十倍。自然光線排列成從120,000Lux到星光夜里的0.00035Lux。當(dāng)攝像機(jī)從室內(nèi)看窗戶外面,室內(nèi)照度為100Lux,而外面風(fēng)景的照度可能是10,000Lux,對比就是10,000/100=100:1。這個對比使人眼能很容易地看到,因?yàn)槿搜勰芴幚?000:1的對比度。然而以傳統(tǒng)的閉路監(jiān)控攝像機(jī)處理它會有很大的問題,傳統(tǒng)攝像機(jī)只有3:1的對比性能,它只能選擇使用1/60秒的電子快門來取得室內(nèi)目標(biāo)的正確曝光,但是室外的影像會被清除掉(全白);或者換種方法,攝像機(jī)選擇1/6000秒取得室外影像完美的曝光,但是室內(nèi)的影像會被清除(全黑)。這是一個自從攝像機(jī)被發(fā)明以來就一直長期存在的缺陷。

寬動態(tài)是一項(xiàng)很實(shí)用的技術(shù),拉近了攝像機(jī)與人眼的距離(讓攝像機(jī)對畫面的處理和顯示更加貼近人眼的識別程度),讓用戶有了一種更人性化的體驗(yàn)。因?yàn)榻?jīng)過幾萬年的進(jìn)化,人眼的寬動態(tài)性能超強(qiáng),對于實(shí)際場景中和各種光線下的區(qū)域,如較暗的區(qū)域和較亮的區(qū)域都能同時看清。而對于傳統(tǒng)的攝像機(jī)、鏡頭來說確是一個很大的挑戰(zhàn)。在一幅畫面中,如果有較亮的區(qū)域和較暗的區(qū)域同時存在,比如銀行的大廳,有很大的窗戶,在窗外的光線很強(qiáng)的情況下,就會造成明暗對比差異很大的場景,這對于普通的攝像機(jī)來說,要看清亮的部分,則暗的區(qū)域就是全黑的,而要看清暗的區(qū)域,則亮的區(qū)域就過爆,也是一片白,什么都看不見。海康威視產(chǎn)品總監(jiān)應(yīng)群表示,運(yùn)用了寬動態(tài)攝像機(jī)后,就能達(dá)到很好的效果,即能同時兼顧到明亮和昏暗的區(qū)域,都可以看清;這樣的功能對于銀行、出入口等很多實(shí)際場景的監(jiān)控都有非常直接的幫助,能達(dá)到監(jiān)控的實(shí)際要求。

目前??低曇呀?jīng)推出了基于SONY最新超寬動態(tài)CCDSensor的系列攝像機(jī),能達(dá)到160X的寬動態(tài)效果,在亮暗對比強(qiáng)烈的場景下都能達(dá)到很好的監(jiān)看效果,滿足了實(shí)際使用環(huán)境的要求。

二、CCD、CMOS攝像機(jī)拓展寬動態(tài)范圍的方法

目前,CCD攝像機(jī)擴(kuò)展動態(tài)范圍的方法有輸出信號伽馬修正方法、對數(shù)壓縮放大方法、單幀圖像兩次取樣方法、單幀圖像多次取樣方法四種。在安防監(jiān)控領(lǐng)域中,一般多采用單幀圖像兩次或五次取樣方法,尤其多用兩次曝光取樣的方法。下面介紹一下這種曝光取樣方法的原理。

所謂“單幀圖像兩次取樣方法”或說“兩次合成電子快門”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的兩次取樣曝光機(jī)圖像分割合成技術(shù)。其工作過程如下:

首先利用成像器件CCD對較暗的景物取得爭取的曝光(如用1/50s快門),將得到第一幀圖像存儲到數(shù)據(jù)緩沖存儲器中。

其次,利用高速數(shù)字信號處理器DSP對送來的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖像中較暗的部分曝光正常,而有部分曝光過度的區(qū)域(即高亮度區(qū)域),就要對其進(jìn)行亮度評估。

第三,根據(jù)亮度評估結(jié)果,再采用高速快門進(jìn)行曝光(如1/2000s快門),并將第2次拍攝的圖像也存儲到數(shù)據(jù)緩沖存儲器中,如此即同時取得兩張明暗兩區(qū)均為正確的影像。

最后,再利用高速DSP并通過其中嵌入的特有的圖像處理方法,將兩影像在DPS中高速運(yùn)算相加,即可兩幅圖像中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來,然后在一幀新的圖像中合成起來,就可以標(biāo)準(zhǔn)制式實(shí)時輸出亮暗動態(tài)范圍很寬的圖像,例如:室內(nèi)人物照度為10Lux,而室外景物為1000Lux,此時CCD攝像機(jī)可采用1/60秒的速度對室內(nèi)景物取得正確曝光,再用1/6000秒對室外的景物取得正確的曝光,然后將兩張圖像結(jié)合即成為比較完美的圖像。

但是,一般CCD攝像機(jī)并不具有這種雙曝光的功能,這是因?yàn)橐话愕耐ㄓ秒娐沸酒荒軐?shí)現(xiàn)這樣高速運(yùn)算,而高速DSP,就具有200K個高速運(yùn)算門電路的運(yùn)算速度,同事解決了雙曝光的兩圖像的分別記憶儲存,緊接著即可合成計(jì)算的功能,合成處理后再按標(biāo)準(zhǔn)制式實(shí)時輸出視頻圖像信號。

顯然,如果再根據(jù)圖像的最暗區(qū)域至最亮區(qū)域的中間過度范圍的整體評估,再對圖像進(jìn)行三次中間層次的曝光,這樣就得到三幀針對過度范圍內(nèi)亮度不同的曝光圖像。然后通過特有的圖像識別算法,將上述5幅圖像當(dāng)中亮度適當(dāng)?shù)牟糠址謩e切割下來,再在一幀新的圖像中合成起來,就會完成并最終輸出比僅有2次曝光取樣更加滿意的圖像。

盡管款動態(tài)CCD攝像機(jī)與傳統(tǒng)CCD攝像機(jī)相比,在技術(shù)上有了一次突破,現(xiàn)在已發(fā)展到第三代CCD寬動態(tài)攝像機(jī),寬動態(tài)范圍也達(dá)到了160倍,或說54db。而采用五次采樣方式,CCD寬動態(tài)攝像機(jī)的動態(tài)范圍最多也只能達(dá)到66db。而現(xiàn)在已推出的CMOS寬動態(tài)攝像機(jī),其寬動態(tài)范圍已能達(dá)到120db。

SMOS寬動態(tài)攝像機(jī)擴(kuò)展動態(tài)范圍的方法有:雙斜率輸出模式、對數(shù)輸出模式、伽馬校正輸出模式、線性-對數(shù)輸出模式與CMOS-DSP數(shù)字像素式等。下面就簡要的介紹一下CMOS-DSP數(shù)字像素式的CMOS攝像機(jī)擴(kuò)展范圍的原理。

三、CMOS-DSP是繼CMOS-PPS與CMOS-APS之后的第三代CMOS寬動態(tài)攝像機(jī)。

所謂DSP,即數(shù)字像素系統(tǒng),CMOS-DPS攝像機(jī)就是數(shù)字像素系統(tǒng)的攝像機(jī)。傳統(tǒng)的CCD和CMOS攝像機(jī)傳感器都是為每一列或每一行像素點(diǎn)配備一個模擬轉(zhuǎn)換器(A/D),每個像素點(diǎn)的輸出都是模擬光信號,存在著噪聲大和輸出時間長等缺點(diǎn)。而DSP是在圖像傳感器的每一個像素點(diǎn)上包含了一個10位A/D轉(zhuǎn)換器,即在CMOS攝像機(jī)圖像傳感器上的有源像素捕捉到光信號時,直接將其放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,從而可將陣列上的信號退化和串?dāng)_降到最小,并允許采用更好的降噪辦法,一旦數(shù)據(jù)以數(shù)字格式捕獲,就可以采用各種數(shù)字信號處理技術(shù)來真正重現(xiàn)圖像。顯然,DSP技術(shù)中的圖像傳感器和圖像處理器是全數(shù)字式的,并采用32位ARMCPU精確控制每個像素,使每個像素獨(dú)立完成采樣和曝光,并直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,是目前市面上唯一的,真正的全數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。

四、寬動態(tài)攝像機(jī)能否智勇雙全

對于攝像機(jī),如果把其靈敏度看作“勇”,寬動態(tài)能力看作“智”的話,寬動態(tài)攝像機(jī)能做到智勇雙全嗎?

寬動態(tài)技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了普通攝像機(jī)在光線明暗交差成像的缺點(diǎn),但是同時也出現(xiàn)了相應(yīng)的不足,畢竟寬動態(tài)技術(shù)是針對專一環(huán)境的專用功能。往往是動態(tài)范圍大的攝像機(jī),其靈敏度低,高靈敏度的攝像機(jī)動態(tài)范圍相對小,也就是說目前寬動態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時完全能夠滿足環(huán)境的需求,呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像,但在低照度情況下的實(shí)用狀況并不是那么理想,噪點(diǎn)過大。在夜間低照度的情況下,圖像會出現(xiàn)類似雪花點(diǎn)的現(xiàn)象,有時也會出現(xiàn)其它現(xiàn)象,如:剛裝上去調(diào)試好是正常的,過段時間之后畫面會出現(xiàn)偏色。據(jù)了解,這個現(xiàn)象與環(huán)境的影響或攝像機(jī)本身設(shè)置有關(guān),一般寬動態(tài)攝像機(jī)出現(xiàn)偏色都與白平衡有關(guān),如果原本在調(diào)試的時候設(shè)置為自動跟蹤白平衡圖像就會隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生不同的白平衡效果,將白平衡模式調(diào)整為自動白平衡即可解決。另外,在安裝的過程中安裝的位置對圖像亦有偏差的影響,應(yīng)盡量避免安裝在強(qiáng)光反射點(diǎn)的位置。

眾所周知,寬動態(tài)打開時,其它方面的指數(shù)就會有所降低,比如清晰度、靈敏度、色彩等等,畫面有可能會變得稍微模糊,色彩飽和度下降,畫面顯得較淡;在低照度環(huán)境中靈敏度下降等,此外還面臨與WD的平衡、同步提升的問題。另外現(xiàn)在很多寬動態(tài)功能范圍相差很大,低的有52db、54db,高的有75db、123db,沒有一個統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范動態(tài)范圍的測量?,F(xiàn)在在行業(yè)內(nèi)也有機(jī)構(gòu)正在積極推進(jìn)此事,相信隨著規(guī)范的測試標(biāo)準(zhǔn)出臺之后,會對行業(yè)門內(nèi)寬動態(tài)的指標(biāo)參數(shù)有更好的規(guī)范作用,避免混淆視聽。

五、寬動態(tài)為視頻智能分析奠定了強(qiáng)大的基礎(chǔ)

一種具有寬動態(tài)范圍(WDR)特性的新式安保攝像機(jī)可以提高視頻圖像的精度,使傳輸給視頻分析的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定,質(zhì)量更高。

WDR指攝像機(jī)能夠以最高的明暗比捕捉圖像。換句話說,即使在高反差照明、強(qiáng)逆光、眩光、反光和其它無法控制或變化不定的照明條件下,WDR攝像機(jī)都可以同時捕捉一個場景中最亮和最暗區(qū)域的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確色彩。

WDR的衡量單位是分貝(dB)。一般而言,有效的視頻分析要求攝像機(jī)提供100分貝或更高的動態(tài)范圍,從而使同一場景中不同照明區(qū)域能生成噪聲極低(高信噪比)、色彩準(zhǔn)確、圖像質(zhì)量優(yōu)秀、細(xì)節(jié)突出的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

視頻分析算法必須不斷根據(jù)攝像機(jī)“看到”的東西進(jìn)行評估或做出最佳猜測,以區(qū)分前景和背景、靜止和移動物體,以及視頻偽影或其它傳感器錯誤和目標(biāo)敏感事件。

WDR攝像機(jī)能傳輸穩(wěn)定的高質(zhì)量數(shù)據(jù),優(yōu)化視頻應(yīng)用程序的算法,從而實(shí)現(xiàn)精確評估和識別。其生成的高質(zhì)量圖像在整個場景(亮區(qū)和陰影)中正確曝光,色彩逼真度高,特征表現(xiàn)銳利,細(xì)節(jié)突出,圖像偽影較少存在或不存在,視頻噪聲低。

除了圖像質(zhì)量和色彩還原以外,全數(shù)字WDR攝像機(jī)還能為現(xiàn)場實(shí)時網(wǎng)絡(luò)視頻分析(即在攝像機(jī)中內(nèi)置分析功能)提供最佳數(shù)據(jù)。有了全數(shù)字WDR攝像機(jī),無須再將數(shù)據(jù)從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字;而且因?yàn)橐曨l分析是在現(xiàn)場完成,只有重要事件才會通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,從而減少了流量和時間,并降低誤報率和數(shù)據(jù)存儲空間。即使數(shù)據(jù)是先傳輸?shù)街醒敕?wù)器再作分析,WDR攝像機(jī)也能為分析提供最高質(zhì)量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),以及降低存儲空間需求。

六、寬動態(tài)攝像機(jī)的重點(diǎn)應(yīng)用

在一些特定場合的特殊環(huán)境中,尤其在強(qiáng)光源(日光、燈具或反光等)照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時,攝像機(jī)輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度顯現(xiàn)為白色,而晦暗區(qū)域因曝光不足成為黑色,比如銀行出入口的安全玻璃自動門等強(qiáng)逆光場所。

在白天室內(nèi)和室外光線反差大的情況下,普通攝像機(jī)拾取的圖像明亮部分和暗的部分不能像人類眼睛那樣同時看清,會產(chǎn)生圖像大部分信息遺漏、畫質(zhì)劣化等現(xiàn)象,寬動態(tài)功能就是針對金融道路交通監(jiān)控等行業(yè)的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的。高品質(zhì)寬動態(tài)攝像機(jī)不僅可以幫助警方破獲犯罪案件,同時可以為發(fā)生的糾紛提供佐證。

銀行營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)一般都位于臨街路邊,大廳光線充足,用戶接待柜臺面向窗戶,顧客則背向窗戶。監(jiān)控攝像機(jī)需要監(jiān)看和記錄的目標(biāo)是營業(yè)員的工作過程、用戶的面部細(xì)節(jié)、大廳里人員活動的細(xì)節(jié)、以及顧客從營業(yè)廳外進(jìn)入營業(yè)廳及從營業(yè)廳里離開到營業(yè)外等全程。在這樣的環(huán)境中,光線明暗變化明顯,室內(nèi)外光線反差巨大,監(jiān)控攝像機(jī)處于逆光拍攝,如采用普通攝像機(jī)是不能拍攝出明暗反差大的局部細(xì)節(jié),監(jiān)控不到滿意的圖像。這種監(jiān)控環(huán)境下,需要的不是攝像機(jī)具有多低的照度指標(biāo),而是需要攝像機(jī)具有很好的寬動態(tài)性能、色彩還原性能和高清晰度。對于ATM機(jī),很多安放在室外,它是24小時運(yùn)行的,用于ATM的攝像機(jī)不僅需要更好的寬動態(tài)指標(biāo)還要有足夠的低照度指標(biāo)。所以,應(yīng)用于金融行業(yè)的監(jiān)控攝像機(jī),應(yīng)該選用寬動態(tài)攝像機(jī)。

目前寬動態(tài)攝像機(jī)用于道路交通監(jiān)控的重點(diǎn)是高速公路收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng),主要是對收費(fèi)站車道、收費(fèi)廣場、收費(fèi)亭的收費(fèi)情況,對收費(fèi)車道通過的車輛類型、收費(fèi)員的操作過程以及收費(fèi)過程中的突發(fā)事件進(jìn)行觀察和記錄。尤其在夜間,寬動態(tài)功能就可以避免如汽車的尾燈和頭燈引起的光線拖尾現(xiàn)象,收費(fèi)站工作人員能看到車牌照,這是普通攝像機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的。

在電子警察系統(tǒng)中,通過監(jiān)控系統(tǒng)和闖紅燈自動攝錄等手段,提高指揮中心的直觀性、實(shí)時調(diào)動能力和對交通事故、意外事件的響應(yīng)能力,以及增強(qiáng)查處違章的客觀性,并對控制區(qū)域進(jìn)行全面協(xié)調(diào)控制,提高車輛的通行能力。由于需要看清車牌,24小時監(jiān)控,所以有對低照度,寬動態(tài)攝像機(jī)的需求。

七、存在的問題

PiximDPS技術(shù)的應(yīng)用無疑將給寬動態(tài)攝像機(jī)市場帶來活力,但真正能將該技術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致,還要看制造商的技術(shù)實(shí)力。目前全球領(lǐng)先的高質(zhì)量CCTV設(shè)備解決方案供應(yīng)商,如Pelco、Stanley、JVC、GE和Honeywell已經(jīng)成為Pixim的客戶,也就是采用基于Pixim的DPS技術(shù)開發(fā)出了國際一流的超級寬動態(tài)攝像機(jī)。

需要提出的是,雖然寬動態(tài)攝像機(jī)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了普通攝像機(jī)在背光補(bǔ)償中的缺點(diǎn),但也存在不足。動態(tài)范圍和靈敏度是兩個矛盾因素,通常動態(tài)范圍大的攝像機(jī)其靈敏度較低,而高靈敏度的攝像機(jī)動態(tài)范圍相對較低。也就是說目前寬動態(tài)攝像機(jī)在環(huán)境光線足夠時完全能夠滿足環(huán)境的需求,呈現(xiàn)出高質(zhì)量的圖像,但在低照度情況下,使用狀況并不是太好。這也是目前各生產(chǎn)寬動態(tài)攝像機(jī)廠家迫切要解決的技術(shù)問題。同時,物體截面光的折射也會使寬動態(tài)攝像機(jī)的動態(tài)效果不是十分滿意。

隨著寬動態(tài)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用環(huán)境的特別需求,攝像機(jī)制造商將為市場帶來更多更好的寬動態(tài)攝像機(jī)。

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    高清視頻監(jiān)控離我們多遠(yuǎn)高清視頻監(jiān)控及其產(chǎn)品正越來越多地充斥中我們的視野,可見的將來,估計(jì)
    發(fā)表于 09-26 15:18

    什么是實(shí)時視頻處理技術(shù)?哪些應(yīng)用?

    實(shí)時視頻處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于高速公路,治安卡口,十字路口等監(jiān)控管理領(lǐng)域,對自動化和智能管理有著重要的作用,視頻
    發(fā)表于 08-08 06:16

    什么是移動視頻監(jiān)控技術(shù)?

    隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展和移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,移動視頻監(jiān)控技術(shù)(mobile video supervision,MVS)也隨之得
    發(fā)表于 08-09 06:52

    遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控解決方案中動態(tài)IP技術(shù)的應(yīng)用是什么?

    遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控解決方案中動態(tài)IP技術(shù)的應(yīng)用是什么?
    發(fā)表于 05-31 06:52

    視頻監(jiān)控技術(shù)火災(zāi)報警領(lǐng)域哪些新突破?

    視頻監(jiān)控技術(shù)火災(zāi)報警領(lǐng)域哪些新突破?
    發(fā)表于 06-01 06:47

    常用的監(jiān)控視頻圖像技術(shù)哪幾種?

    視頻監(jiān)控處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到何種程度了?常用的監(jiān)控視頻圖像技術(shù)
    發(fā)表于 06-01 06:12

    視頻監(jiān)控市場哪些新特點(diǎn)?視頻監(jiān)控主要問題哪些?

    視頻監(jiān)控相關(guān)技術(shù)進(jìn)展怎樣?視頻監(jiān)控市場哪些新特點(diǎn)?視頻
    發(fā)表于 06-03 06:37

    數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的DVR技術(shù)哪些?

    什么是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)?數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的DVR技術(shù)哪些?
    發(fā)表于 06-07 07:02

    視頻監(jiān)控作用哪些

    一、 視頻監(jiān)控作用二、 如果只是想在客廳查看房間的情況,不需要什么復(fù)雜的協(xié)議作為程序員,我們需要寫2個程序:連接攝像頭的ARM板子上,實(shí)現(xiàn)一個服務(wù)器程序:它一邊讀取攝像頭數(shù)據(jù),一邊
    發(fā)表于 07-16 07:40

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)的作用

    視頻首先介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)公安工作中的作用,分別有實(shí)時監(jiān)控直接抓獲或鎖定犯罪嫌疑人、從
    的頭像 發(fā)表于 12-04 16:17 ?3.8w次閱讀

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