攝像機、安防鏡頭的動態范圍測試方法

　　對攝像機動態范圍的測試方法可能不盡相同，但其測試原理大同小異，這里介紹鏡頭的一種基本測試方法如下：

　　測試攝像機動態范圍所需的設備及條件

　　測試攝像機動態范圍所需要的設備如下5點：

　　·透射灰度卡與反射灰度卡；

　　·亮度可調的背光燈箱與亮度可調的照射光源（如TILO臺式燈箱或者臥式燈箱）；

　　·視頻監視器與波形監視器(如LEADER5222/5212）；

　　·測光表或照度計(如美能達LC-200A)；

　　·標準內鏡頭等。

　　測試攝像機動態范圍的條件：需要在暗室內進行。

　　測試攝像機動態范圍的基本方法與步驟

　　·*步：在暗室中一桌子的同一垂直平面上安裝2套雙階灰度測試卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可調的背光光源作為恒定參照，調整背光源亮度，確保自正面中心確認白塊表面的發散照度為2500Lx；另外1套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可調的照射光源，以用于測定動態范圍的臨界值；

　　·第二步：架設待測攝像機與灰度測試卡中心同水平面高度，并保持與灰度測試卡垂直平面呈90°夾角，同時使攝像機鏡頭視角能涵蓋2套灰度測試卡；

　　·第三步：將攝像機的輸出信號連接到視頻監視器與波形監視器；

　　·第四步：在攝像機加電穩定后，開啟擴展動態范圍功能，將正面的照射光源的亮度調整到2500Lx。顯然，在這種照度下是曝光過度的(出廠的標準照度多為2000Lx)，此時反射灰度卡的白色端條紋可能會出現層次混合，即有2條或更多灰度條表現出相同的白色，而分辨不出亮度的差別；

　　·第五步：再不斷緩慢降低光源亮度，并不斷從波形監視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當頂電平因為光源照度降低而開始相應降低時，記錄此時的照度值(如L1)，這一照度值即為該攝像機動態范圍的上限。此時的攝像機應當正好可以表現出亮度較大的白色條紋之間的亮度層次區別；

　　·第六步：然后再不斷繼續緩慢降低亮度，并不斷從波形監視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當頂電平不再因為光源照度降低而繼續相應降低時，記錄此時的照度值(如L2)，這一照度值即為該攝像機動態范圍的下限。此時攝像機拍攝的灰度卡圖像中在亮度暗的2個灰黑色條紋之間的亮度層次區別應當正好消失而混合成一塊黑色。

　　測試結果計算

　　用上述實際測試方法計算動態范圍的公式如下：

　　動態范圍=20logL1/L2(dB)(3)用上述測試方法測得JVC的CCD寬動態攝像機TK-WD310EC的頂電平變化自2200Lx開始至1.1Lx結束，由式(2)可得

　　動態范圍=20log2200/1.1=66dB

　　用上述測試方法測得某公司的CCD寬動態攝像機的頂電平變化自1500Lx開始至5Lx結束的動態范圍為

　　動態范圍=20log1500/5=49dB

　　JEITA的動態范圍測試方法

　　JEITA是日本電子資訊技術產業協會的簡稱，其對攝像機動態范圍的測量方法也是采用灰階測試卡。實際上，是否能夠準確確定動態范圍，一個重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動態范圍的全部取值。比如KodakQ-14測試卡，相鄰灰階格的刻度差是1/3光圈級數(f-stop)，zui多只能測量出5.66檔或大約34分貝的動態范圍。

　　使用JEITA方法測量動態范圍和動態范圍擴展比率時，灰階測試卡的gamma值為2.2，總共有十個灰階級別，能夠測出的動態范圍與Q-14灰階測試卡基本相同。按照這種方法的規格說明書所述，將兩張灰階測試卡并排放置，二者中間以屏幕相隔。再用兩臺不同的照明光源分別照射屏幕兩側的測試卡，如圖2所示。

圖2JEITA動態范圍擴展比率測量裝置

　　JEITA方法中規定，對測試卡較亮的一端不斷增加照明強度或增大光圈，直到剛好可以區分出zui亮的兩個灰階級別，然后對測試卡較暗的一端不斷減小照明強度直到zui亮的灰階級別(白色)達到50IRE。用前述測試法中的公式(3)即可計算動態范圍的擴展比率(dB)，即

　　動態范圍擴展比率(dB)=20log(L3/L4)

　　這種方法雖然算出了動態范圍擴展值，但它*忽略了成像器捕捉中間色調的能力。JEITA方法并沒有克服兩次曝光CCD傳感器的主要缺陷，因為該方法只關注于對較高和較低色調范圍以內的不同灰階值的區分。

　　JEITA方法的缺陷是：所有的測試裝置都沒有明確；沒有指明怎樣放置照明設備，使用何種類型的光線，甚至沒有說明如何準確衡量照明強度。這就意味著，實驗裝置和測量條件的變化都會影響zui終的測量結果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動態范圍擴展值，而不是總體的測量范圍，因為該方法并未指明如何確定基準動態范圍或總體動態范圍。

　　Pixim的動態范圍測量方法

　　為了消除上面的缺陷，讓測量實驗具有可重復性，使得在測量過程中可以對所有色調級別同時進行觀察和比較，Pixim使用一套定制的儀器裝置來測量動態范圍。該套裝置包含一個TILO臺式燈箱，它使用700瓦的白熾燈光對透光步進卡進行背光投射。測量使用的步進式光楔均由SinePatternsLLC公司生產，兩個光楔重疊在一起zui高可測量ND值為0.1到6.1或大約120分貝的密度范圍。

　　要在計算機監視器上或在打印文檔中準確顯示很寬的動態場景顯然并不容易，但是PiximDPS技術卻能很好地捕捉到超寬動態圖像，同時呈現單調灰階和中間灰階響應。

　　使用兩次曝光方法的CCD攝像機拍攝的同一圖片，請注意，盡管該相機自稱具有很高的動態范圍，但事實上還是可以從圖片中場景高亮部分的暈光現象和中間色調的串色現象看出其明顯的局限性。另外，就對中間色調的響應來說，該相機的響應過于平乏，與PiximDPS相機單調分明的響應相比，誰優誰劣，一看便知。

　　結語

　　上面介紹了動態范圍的概念及3種具體測試方法，可供使用者選用參考。由他們測試的兩種攝像機的寬動態性能看，CCD寬動態攝像機不如CMOS寬動態攝像機好。CCD雖然靈敏度高，但響應速度較低，并不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監控攝像機多采用CMOS成像器件。又由于CMOS成像器件所具有的寬動態范圍、高速數字讀出、無列讀出噪聲或固定圖形噪聲、工作速度更快、功耗更低的優點，使它能更方便地實現網絡化與智能化。顯然，CMOS攝像機潛力巨大，其在動態范圍等方面優異的性能，今后將會逐步取代CCD攝像機而占領市場。

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