安防相机的宽动态（WDR—WideDynamicRange）
目录
- 为什么需要宽动态
- 宽动态能力表示
- 宽动态介绍 （WDR）
- WDR对比DWDR
- WDR对比HDR
- 安防相机中WDR的应用场景
- 太阳光线
- 反射光源
- 玻璃窗户和门
- 室内灯光
- 车头灯
- 宽动态技术
- 背光/逆光补偿
- 二次/多次曝光技术
为什么需要宽动态
对于标准的CCD和CMOS图像传感器来说，所有感光单元的曝光(收集光子)时间都是相同的；在相同的时间内，感光单元对画面明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量还受到阱容量(wellcapacity)的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和；为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光，无法成像。
即对于典型的单次曝光的图像传感器来说，如果曝光时间过长，则明亮部分的像素将出现溢出，呈现白色；而如果降低曝光时间，则较暗部分的像素将由于没有足够的光，呈现黑色。
安装和使用监控摄像机经常会遇到强光问题。 因为我们不可能灵活选择摄像机的安装位置， 解决或者处理强光是一个无法避免的问题。
不管是由反光材质或者灯源造成此反光， 解决问题的方案来自于摄像机支持的一个特殊功能， 并且这个功能不是所有的监控摄像机都支持。
海思方案提供了多种WDR模式
宽动态能力表示
宽动态能力一般用“动态范围”来表述，即亮度变化值的最低端极点到最高端极点之间的区域。在量化描述上，通常采用视频帧中可识别的最亮亮度信号值与最暗亮度信号值的比值(×倍)；可按照换算公式：NdB=20log(亮度比值)将上述比值以分贝(dB)标示。
宽动态介绍 （WDR）
WDR是wide dynamic range 的缩写，意思是宽动态范围。 根据百度百科，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成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。
WDR对比DWDR
用户经常把宽动态和数字宽动态（DWDR）混淆在一起。数字宽动态是宽动态技术中最容易实现的一种技术。 而真实的宽动态能确保在大部分强光或逆光监控环境下，拍出清晰的图像。 很可能数字宽动态只能解决部分画面问题，无法解决全部。
真实宽动态采用的是软硬结合的方案，首先一款真实宽动态的摄像机必须使用带宽动态功能的CMOS图像传感器， 其次需要数字图像处理器配合。 如多重曝光宽动态 （也叫多帧成像宽动态）就是使用图像传感器对图像进行多次曝光 （3次或4次），然后传送到图像处理器进行宽动态计算并输出明亮均衡的图像。
对于特定的监控应用，宽动态技术已成为高清监控摄像机的标准功能， 市场巨大， 因此索尼公司于去年新推出DOL WDR技术，DOL WDR的英文全称是Digital overlay wide dynamic range即数字叠加型宽动态技术，同样是采用多重曝光技术， 但是DOL WDR可以在低照度环境下提供更好的宽动态性能。索尼公司已经推出IMX224 (120万像素), IMX290 (210万像素), IMX123 (320万像素)等多款专用于视频监控应用，并支持DOL WDR功能的高清CMOS图像传感器。
WDR对比HDR
HDR和WDR是两种不同的处理技术。
在大光比环境下拍摄，普通相机因受到动态范围的限制，不能纪录极端亮或者暗的细节。经HDR或者WDR程序处理的照片，即使在大光比情况拍摄下，无论高光、暗位都能够获得比普通照片更佳的层次。
- HDR就是拍摄一张过曝的照片，一张欠曝的照片，一张曝光正常，然后把三张合成在一起，得到一张HDR照片。
- WDR就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得清楚。
HDR和WDR都是为了平衡过曝或者欠曝，让照片得到更多层次和更清楚的图像。
- HDR只能用于静态图像，
- WDR由于它的原理和高速DSP的支持，可以用于动态图像也就是视频。
安防相机中WDR的应用场景
在安防监控应用中，经常会出现明暗反差较大或逆光的场景，例如对准大门或窗户拍摄；由于整个图像中明亮的区域曝光过度，较暗的区域欠曝光，从而不能看清楚图像最亮与最暗部分，即高亮的部分成像为白色，暗部呈现为黑色。早期采用背光补偿技术，或干脆放置两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不是非常理想，因此诞生了宽动态技术，较好地解决了这一问题。
太阳光线
现在市场上有些人认为宽动态监控摄像机可以对准强光源（如太阳直射光）下工作。 让我们再解释一遍，无论你的摄像机是否支持宽动态，也不管你的摄像机质量有多好，价格有多贵，或支持强光抑制，摄像机都不能对准直射强光源。
监控摄像机不具备承受从镜头进入的直射强光下一直工作的能力， 直射光源照射在CMOS图像传感器上将使图像传感器变得过热，从而影响成像，损坏摄像机，并最终使得摄像头变得毫无用处。
反射光源
尽管宽动态不能让摄像机直接对准强光源， 但是可以有效的解决由强光源反射光而造成的成像问题。 遇到太阳光反射，在视频监控安装和使用中是司空见惯的事情。 这些反射光可来自汽车，水滩， 甚至是窗户或者玻璃门。肯定这些物体不会每天百分之百的反射光，但是一天中的某些时间，物体的角度，摄像机监控角度，遇到这些情况，或许你希望摄像机支持宽动态功能
玻璃窗户和门
从窗户或者门照射进来的逆光是视频监控遇到的棘手问题。 安装在室内的监控摄像机经常会发现监控范围包括了窗户或玻璃门。 大厅，专卖店和办公室都是例子。在白天，如果摄像机不支持宽动态，摄像机将很难拍摄清晰的图像，窗户或玻璃门的区域会出现大块太亮的区域。大部分情况下，这种强光会导致摄像机看不到强光前面和后面的物体。宽动态功能可彻底消除这种逆光问题，并提供前景和背景都清晰地图像。
室内灯光
室内灯光导致的强光问题比其它强光问题要少得多， 但是还是有可能发生。 有些日光灯（荧光灯）照明会给监控摄像头带来问题。 一般来说，如果遇到因为室内照明引起的强光问题， 一般采用调整摄像机的安装角度来解决。 如果不能换安装角度，或者换角度也没有，那么使用宽动态摄像机就是最好的解决方案。
车头灯
对于普通监控摄像机来说，夜间车辆的头灯是个烦恼的问题。 不仅会在监控画面中产生耀眼的灯光高亮区域，而且会造成过量的图像噪点。 使用宽动态，车灯的亮度将会降低，并拍摄清晰车辆图像，同时过量的图像噪点也会消失。但是，如果摄像头安装位置比较低，车灯会照射到摄像机的光敏电阻，摄像机会频繁进行日夜监控模式转换，这样造成摄像机工作异常。
宽动态技术
背光/逆光补偿
背光补偿，也称为逆光补偿，是早期应对强光或强逆光视频监控环境的方法，它的原理是：
在强光或强逆光等环境下，由于视场中包含一个很亮的区域，导致AGC检测到的信号电平并不低，因此放大器的增益很低，此时画面中希望拍摄的目标成像昏暗，无层次。背光补偿技术是把画面分成几个不同的区域，摄像机根据各个区域的平均信号电平来确定AGC电路增益；背光补偿技术提高AGC放大器的增益，使输出信号的幅值提高，从而使被拍摄目标的亮度提升，监控画面的可视性得到改善。
由于逆光补偿只是简单提升了拍摄目标的亮度，没有实际拓展动态范围，所以改善效果有限；对亮区很容易过曝，整体图像质量和色彩还原等都会有一定的下降。
二次/多次曝光技术
传统的CCD/CMOS图像传感器在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次，这样图像中超出动态范围之外的明亮、较暗区域就会出现过度曝光，欠曝光的现象。
二次/多次曝光技术中图像传感器对场景进行二次或多次曝光，每次曝光的时间长度不同；然后用图像合成算法对不同曝光的画面进行处理和重新组合，这样就能同时兼顾画面中明亮、较暗区域，使明亮的部分和暗的部分可以看得清楚；该功能在图像传感器动态范围性能没有提升的情况下，将摄像机的有效动态范围进行了扩展。
由于CCD图像传感器读取速度的限制，即使采用二次曝光取样方式，摄像机的宽动态范围最大只能到72dB。而当前采用CMOS图像传感器的摄像机采用二次曝光技术已经可以达到90dB以上的动态范围。
但二次/多次曝光技术也有其明显的局限性——动态物体拍摄。以二次曝光为例，对于在画面中以较高速度运动的物体，短曝光和长曝光拍摄到的物**于画面的不同位置，算法如何将不同位置的物体整合为一个成为难题。所以，采用多次曝光技术的宽动态摄像机一般只能用于目标对象运动速度较慢的监控场景中；如果画面中有较快运动的目标，则会因出现鬼影等问题导致场景严重失真。
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