攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測試的基本方法與步驟

對攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測試方法可能不盡相同，但其測試原理大同小異，下面賽麥吉簡單介紹一下攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測試的基本方法與步驟。

攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測試所需的設(shè)備及條件

測試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍所需要的設(shè)備：

1、透射灰度卡與反射灰度卡；

2、亮度可調(diào)的背光燈箱與亮度可調(diào)的照射光源（如TILO臺式燈箱或者臥式多光源燈箱）；

3、視頻監(jiān)視器與波形監(jiān)視器(如LEADER5222/5212）；

4、測光表或照度計(jì)(如日本LC-200A和世光C500)；

5、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)鏡頭等。

測試攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的條件：需要在暗室內(nèi)進(jìn)行。

攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測試的基本方法與步驟

第一步：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(diào)的背光光源作為恒定參照，調(diào)整背光源亮度，確保自正面中心確認(rèn)白塊表面的發(fā)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(diào)的照射光源，以用于測定動(dòng)態(tài)范圍的臨界值；

第二步：架設(shè)待測攝像機(jī)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(shí)使攝像機(jī)鏡頭視角能涵蓋2套灰度測試卡；

第三步：將攝像機(jī)的輸出信號連接到視頻監(jiān)視器與波形監(jiān)視器；

第四步：在攝像機(jī)加電穩(wěn)定后，開啟擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍功能，將正面的照射光源的亮度調(diào)整到2500Lx。顯然，在這種照度下是曝光過度的(出廠的標(biāo)準(zhǔn)照度多為2000Lx)，此時(shí)反射灰度卡的白色端條紋可能會出現(xiàn)層次混合，即有2條或更多灰度條表現(xiàn)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(jiān)視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當(dāng)頂電平因?yàn)楣庠凑斩冉档投_始相應(yīng)降低時(shí)，記錄此時(shí)的照度值(如L1)，這一照度值即為該攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的上限。此時(shí)的攝像機(jī)應(yīng)當(dāng)正好可以表現(xiàn)出亮度較大的白色條紋之間的亮度層次區(qū)別；

第六步：然后再不斷繼續(xù)緩慢降低亮度，并不斷從波形監(jiān)視器上觀察與記錄反射灰度測試卡波形的頂電平。當(dāng)頂電平不再因?yàn)楣庠凑斩冉档投^續(xù)相應(yīng)降低時(shí)，記錄此時(shí)的照度值(如L2)，這一照度值即為該攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的下限。此時(shí)攝像機(jī)拍攝的灰度卡圖像中在亮度暗的2個(gè)灰黑色條紋之間的亮度層次區(qū)別應(yīng)當(dāng)正好消失而混合成一塊黑色。

測試結(jié)果計(jì)算

用上述實(shí)際測試方法計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的公式如下：

動(dòng)態(tài)范圍=20logL1/L2(dB)(3)用上述測試方法測得JVC的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)TK-WD310EC的頂電平變化自2200Lx開始至1.1Lx結(jié)束，由式(2)可得

動(dòng)態(tài)范圍=20log2200/1.1=66dB

用上述測試方法測得某公司的CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)的頂電平變化自1500Lx開始至5Lx結(jié)束的動(dòng)態(tài)范圍為

動(dòng)態(tài)范圍=20log1500/5=49dB

JEITA的動(dòng)態(tài)范圍測試方法

JEITA是日本電子資訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會的簡稱，其對攝像機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測量方法也是采用灰階測試卡。實(shí)際上，是否能夠準(zhǔn)確確定動(dòng)態(tài)范圍，一個(gè)重要的限制因素是灰階測試卡是否能夠有效測出動(dòng)態(tài)范圍的全部取值。比如KodakQ-14或Q13測試卡，相鄰灰階格的刻度差是1/3光圈級數(shù)(f-stop)，最多只能測量出5.66檔或大約34分貝的動(dòng)態(tài)范圍。

使用JEITA方法測量動(dòng)態(tài)范圍和動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率時(shí)，灰階測試卡的gamma值指定為2.2，總共有十個(gè)灰階級別，能夠測出的動(dòng)態(tài)范圍與Q-14灰階測試卡基本相同。按照這種方法的規(guī)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(cè)的測試卡，如圖2所示。

　　

圖2JEITA動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率測量裝置

JEITA方法中規(guī)定，對測試卡較亮的一端不斷增加照明強(qiáng)度或增大光圈，直到剛好可以區(qū)分出最亮的兩個(gè)灰階級別，然后對測試卡較暗的一端不斷減小照明強(qiáng)度直到最亮的灰階級別(白色)達(dá)到50IRE。用前述測試法中的公式(3)即可計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展比率(dB)，即

動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展比率(dB)=20log(L3/L4)

這種方法雖然算出了動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展值，但它完全忽略了成像器捕捉中間色調(diào)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?yàn)樵摲椒ㄖ魂P(guān)注于對較高和較低色調(diào)范圍以內(nèi)的不同灰階值的區(qū)分。

JEITA方法的缺陷是：所有的測試裝置都沒有明確指定；沒有指明怎樣放置照明設(shè)備，使用何種類型的光線，甚至沒有說明如何準(zhǔn)確衡量照明強(qiáng)度。這就意味著，實(shí)驗(yàn)裝置和測量條件的變化都會影響最終的測量結(jié)果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展值，而不是總體的測量范圍，因?yàn)樵摲椒ú⑽粗该魅绾未_定基準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍或總體動(dòng)態(tài)范圍。

Pixim的動(dòng)態(tài)范圍測量方法

為了消除上面的缺陷，讓測量實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性，使得在測量過程中可以對所有色調(diào)級別同時(shí)進(jìn)行觀察和比較，Pixim使用一套定制的儀器裝置來測量動(dòng)態(tài)范圍。該套裝置包含一個(gè)TILO臺式燈箱，它使用700瓦的白熾燈光對透光步進(jìn)卡進(jìn)行背光投射。測量使用的步進(jìn)式光楔均由SinePatternsLLC公司生產(chǎn)，兩個(gè)光楔重疊在一起最高可測量ND值為0.1到6.1或大約120分貝的密度范圍。

要在計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上或在打印文檔中準(zhǔn)確顯示很寬的動(dòng)態(tài)場景顯然并不容易，但是PiximDPS技術(shù)卻能很好地捕捉到超寬動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)呈現(xiàn)單調(diào)灰階和中間灰階響應(yīng)。

使用兩次曝光方法的CCD攝像機(jī)拍攝的同一圖片，請注意，盡管該相機(jī)自稱具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，但事實(shí)上還是可以從圖片中場景高亮部分的暈光現(xiàn)象和中間色調(diào)的串色現(xiàn)象看出其明顯的局限性。另外，就對中間色調(diào)的響應(yīng)來說，該相機(jī)的響應(yīng)過于平乏，與PiximDPS相機(jī)單調(diào)分明的響應(yīng)相比，誰優(yōu)誰劣，一看便知。

上面介紹了動(dòng)態(tài)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(jī)的寬動(dòng)態(tài)性能看，CCD寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)不如CMOS寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)好。CCD雖然靈敏度高，但響應(yīng)速度較低，并不適用于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)多采用CMOS成像器件。又由于CMOS成像器件所具有的寬動(dòng)態(tài)范圍、高速數(shù)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(yōu)點(diǎn)，使它能更方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化與智能化。顯然，CMOS攝像機(jī)潛力巨大，其在動(dòng)態(tài)范圍等方面優(yōu)異的性能，今后將會逐步取代CCD攝像機(jī)而占領(lǐng)市場。

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