宽动态是指摄像机同时可以看清楚图像最亮与最暗部分的照度比值。摄像机的“动态范围”是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度（反差）及色温（反差）的变化范围。即表示摄像机对图像的最“暗”和最"亮”的调整范围，是静态图像或视频帧中最亮色调与最暗色调的比值。而色调能呈现出图像或帧中的精准细节，作为两种色调的比值，动态范围的单位可以是分贝、比特、档，或者简单以比率或倍数来表示。各种单位之间的换算方法如表1所示。

表1 动态范围各单位之间的换算方法

比特 档 比率 倍数 分贝

1 1 1:2 2x 6dB

2 2 1:4 4x 12dB

3 3 1:8 8x 18dB

4 4 1:16 16x 24dB

5 5 1:32 32x 30dB

6 6 1:64 64x 36dB

7 7 1:128 128x 42dB

8 8 1:256 256x 48dB

9 9 1:512 5i2x 54dB

10 10 1:1024 1024x 60dB

11 11 1:2048 2048x 66dB

12 12 1:4096 4096x 72dB

13 13 1:8192 8192x 78dB

14 14 1:16384 16384x 84dB

15 15 1:32768 32768x 90dB

16 16 1:65536 65536x 96dB

17 17 1:131072 131072x 102dB

18 18 1:262144 262144x 108dB

19 19 1:524288 524288x 114dB

20 20 1:1048576 1048576x 120dB

 

表1仅列出了20档动态范围，因为这几乎涵盖了人眼所能分辨的所有动态范围，而超过这些档位的动态范围就没有太大的实际意义。

一、CCD摄像机扩展动态范围的原理与方法

目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有如下4种。

•输出信号伽马修正方法；

•对数压缩放大方法；

•单帧图像两次取样方法；

•单帧图像多次取样方法。

在安防视频监控领域中，一般多采用单帧图像2次或5次取样方法。以松下为首的厂商，率先采用了两次曝光取样法，即“单帧图像2次取样方法”，或说“2次合成电子快门”。其典型特征是基于中速感光器件及高速DSP的2次取样曝光及图像分割合成技术。这种单帧图像2次取样方法的工作过程如下。

首先，利用成像器件CCD对较暗的景物取得正确曝光（如用1/50s快门），其曝光量如图1（a）所示，将得到的第1帧图像存储到数据缓冲存储器中。

图1 双曝光时间与曝光量示意图

其次，利用高速数字信号处理器DSP对送来的图像数据进行分析，如图像中较暗的部分曝光正常，而有部分曝光过度的区域（即高亮度区域），就要对其进行亮度评估。

第三，根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光（如1/2000s快门），其曝光量如图1（b）所示，并将第2次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中，如此即可同时取得两张对明暗两区均为正确的影像。

最后，再利用高速DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理算法，将两影像在DSP中高速运算相加，即将两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，然后在一帧新的图像中合成起来，就可标准制式实时输出亮暗动态范围很宽的图像。例如，室内人物照度为10Lx，而室外景物为1000Lx，此时CCD摄像机可采用1/60s的速度对室内景物取得正确曝光，再用1/6000秒对室外景物取得正确曝光，然后将两张图像结合即成为比较完美的图像。

显然，传感器在第二次曝光时需要将第一次曝光得到的数据保存起来，因而该方法需要双倍的内存。为消除这种额外的内存开销，采用两次曝光技术的很多产品不得不将垂直分辨率减少为一半。这种方法虽然提升了动态范围，但却牺牲了图像的真实分辨率和色彩精确度。所以，两次曝光的图像总是看起来很苍白，好像褪了色一样。显而易见，5次或多次曝光取样方法图像自然会好一些。

二、CMOS摄像机扩展动态范围的原理与方法

尽管CCD摄像机采用2次曝光法的宽动态范围已达到了54dB，而采用5次取样方式，其动态范围最多也只能达到66dB。而现在已经推出的CMOS宽动态摄像机，如加拿大Dalsa公司采用线性-对数输出模式的IM28-SA型CMOS摄像机，以及美国Pixim的CMOS-DPS摄像机，其宽动态范围最大能达到120dB。