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宽动态音频监控摄像机的优点及局限性

为什么动态范围受到限制
  为什么摄像机的动态范围功能受到限制?动态范围限制源于多种原因,主要是图像传感器的感光像素阵列的物理性质。设想两个相同的图像传感器,只是感光像素阵列的面积大小及其相关的井位能不同,哪个传感器的动态范围更宽?答案是:具有更大像素阵列的那个。由于井位能较大,场景范围上部的光通量很强,不会像较小的像素那么容易达到饱和。场景范围底部几乎没有光子,较大的感光像素阵列面积可采集较多的光子,并降低小值读数的不准确度(即噪波)。
  增大感光像素阵列的尺寸以实现更宽动态范围的需要,将感光像素阵列制造得更小以提高空间分辨率的需要,二者之间的冲突始终存在。通常,由于像素阵列尺寸小而名义上较高的空间分辨率受到窄动态范围的严重拖累,从而导致噪波或修剪,或者两种后果同时存在。
  噪波屏蔽包含背光处精细图像细部的微小信号变化,而修剪则消除了明亮处的细部。成像的时间因素也促成了动态范围和空间分辨率之间的冲突——视域范围内的物体可能在移动,从而导致运动模糊。运动模糊是降低空间分辨率的因素,因为它会使移动物体在多个相邻像素之间变得模糊。降低运动模糊需要更短的积分时间,但反过来增加了测量噪波。通过屏蔽细微的信号变化,噪波也损害了空间分辨率。简而言之,由于小尺寸像素阵列的动态范围窄,运动模糊以及试图降低运动模糊的措施,导致有效传感器分辨率可能比标清分辨度低。
  宽动态成像的局限性
  需要指出的是,在一些大规模生产的宽动态技术中,由于某些技术和成本的限制,可供选择使用的快门比值非常有限。因此,由于选择不适当的快门比值而产生的问题难以解决,使得噪波和其他现象很大程度上取决于场景本身。
  宽动态成像的另一个局限性与运动现象有关。由于快门速度不同,在两张(或更多)构成合成宽动态图像的单独快照中,捕捉图像时场景的移动部分会出现在不同的位置。例如,设想一个暗色物体从背景明亮的场景中通过。如果物体是静止的,在合成宽动态图像中的暗像素会来自慢速快门图像,而周围轮廓会来自快速快门图像。但是,由于物体在移动,它在快速快门图像中轮廓与其在慢速快门图像中的轮廓不匹配。因此,必须做出决定,如何弥补这种不匹配。在运动伴有运动模糊的情况下,因为会产生处于物体和背景之间的亮度值,做决定会变得特别困难。就彩色宽动态成像而言,除非在图像处理中采取特殊的运算措施,运动现象可能会在移动物体周围产生明亮的彩色轮廓。此外,出现过量的暂时噪波时,还会导致类似运动的现象,结果会产生彩色噪波图。在宽动态中抑制运动现象的措施称为运动补偿。运动补偿可能会产生视觉现象,特别是在捕捉包含非常明亮的人工照明区域的宽动态场景时。主要使用快速快门来捕捉场景的明亮区域。如果快速快门的时间比人工照明半周期(在使用60Hz的国家为8.33ms,在使用50Hz的国家为10ms)的时间短,在快速和慢速快门图像之间会产生显著的局部亮度变化。这些变化可能会被摄影机内置的运动补偿误认为是合法运动,从而导致视觉现象。在这种情况下,禁用运动补偿可能是一种合理的解决方案。
  最后要指出的是,在通过多传感器全景宽动态摄像机实现统一的全景图像外观时,色调映射和多曝光图像捕捉的组合效果特别具有挑战性。单独的图像传感器所捕捉的场景相邻部分在亮度、噪波和对比度方面可能可能看上去完全不同,这是因为对于不同的传感器,场景内容发生了轻微的变化。为了得到更一致的全景图像,往往有必要牺牲一些多传感器摄像机通道的动态范围,或另外执行复杂的后期处理,从而使所产生的多张宽动态图像的外观相同。宽动态场景的明亮部分与户外的明亮场景相对应,而背光部分与室内空间相对应。如果大大缩小户外区域的整体亮度范围,使其更接近于较暗的室内区域的整体亮度范围,同时在两个区域保持局部亮度差异,场景的整体外观会保持完全可以被人眼所接受,而图像可以在监控器上显示了。

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