细说安防宽动态：背光补偿与二次曝光

    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。
　　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。
　　所以摄像机的宽动态(WDR，WideDynamicRange)能力对于视频监控来说是非常重要的指标之一。摄像机的动态范围越大，则视频监控画面所呈现的细节就更丰富，色彩空间更广，逆光拍摄的能力就越强。
　　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。