攝像機動態(tài)范圍測試的基本方法與步驟

對攝像機動態(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動態(tài)范圍測試的基本方法與步驟。

攝像機動態(tài)范圍測試所需的設備及條件

測試攝像機動態(tài)范圍所需要的設備：

1、透射灰度卡與反射灰度卡；

2、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(如日本LC-200A和世光C500)；

5、標準內鏡頭等。

測試攝像機動態(tài)范圍的條件：需要在暗室內進行。

攝像機動態(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(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的照射光源，以用于測定動態(tài)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(jiān)視器與波形監(jiān)視器；

第四步：在攝像機加電穩(wěn)定后，開啟擴展動態(tài)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(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(tài)范圍的上限。此時的攝像機應當正好可以表現(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。當頂電平不再因為光源照度降低而繼續(xù)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(tài)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(qū)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(tài)范圍的公式如下：

動態(tài)范圍=20logL1/L2(dB)(3)用上述測試方法測得JVC的CCD寬動態(tài)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(tài)范圍=20log2200/1.1=66dB

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

動態(tài)范圍=20log1500/5=49dB

JEITA的動態(tài)范圍測試方法

JEITA是日本電子資訊技術產(chǎn)業(yè)協(xié)會的簡稱，其對攝像機動態(tài)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(tài)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(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分貝的動態(tài)范圍。

使用JEITA方法測量動態(tài)范圍和動態(tài)范圍擴展比率時，灰階測試卡的gamma值指定為2.2，總共有十個灰階級別，能夠測出的動態(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的測試卡，如圖2所示。

　　

圖2JEITA動態(tài)范圍擴展比率測量裝置

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

動態(tài)范圍擴展比率(dB)=20log(L3/L4)

這種方法雖然算出了動態(tài)范圍擴展值，但它完全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(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最終的測量結果。值得注意的是，JEITA方法測量的是動態(tài)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(tài)范圍或總體動態(tài)范圍。

Pixim的動態(tài)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(tài)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(chǎn)，兩個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。

要在計算機監(jiān)視器上或在打印文檔中準確顯示很寬的動態(tài)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(tài)圖像，同時呈現(xiàn)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(tài)范圍，但事實上還是可以從圖片中場景高亮部分的暈光現(xiàn)象和中間色調的串色現(xiàn)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(yōu)誰劣，一看便知。

上面介紹了動態(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的寬動態(tài)性能看，CCD寬動態(tài)攝像機不如CMOS寬動態(tài)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(jiān)控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此高清監(jiān)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(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，使它能更方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡化與智能化。顯然，CMOS攝像機潛力巨大，其在動態(tài)范圍等方面優(yōu)異的性能，今后將會逐步取代CCD攝像機而占領市場。

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