摄像机的动态范围如果40倍于普通摄像机的动态范围，这种摄像机就可以称为宽动态摄像机。宽动态摄像机比只具有3∶1动态范围的普通摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120000lx到星光夜里的0.00035lx。当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100lx，而外面风景的照度可能是10000lx，对比就是10000/100=100∶1。这个对比使人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000∶1的对比度。然而以传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题，传统摄像机只有3∶1的对比性能，它只能选择使用1/60s的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像会被清除掉（全白）；或者换种方法，摄像机选择1/6000s取得室外影像完美的曝光，但是室内的影像会被清除（全黑）。这是摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。最早的解决方法，一般会采用背光补偿技术或在室内外放置两台摄像机来适应较大的光线反差，但效果不理想，从而诞生了扩展动态范围的技术，即现在所说的宽动态（WDR）技术。
在安防监控领域，所谓摄像机宽动态，实际上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。因此，宽动态摄像机的动态范围，就是表示摄像机对图像的最“暗”和最“亮”的调整范围。摄像机的动态范围越大，图像所表现的图层就越丰富、清晰，当然图像的色彩空间就更广，也就是宽动态摄像机适应逆光环境的能力也更大。
（一）CCD宽动态摄像机的发展历程
宽动态CCD摄像机的发展经历了三代，见表8-2。
表8-2 WDR的技术发展历程
（二）DSP技术
对于标准CCD图像传感器来说，所有感光单元的曝光（收集光子）时间都是相同的。感光单元对景物明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量却受到阱容量的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和。为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光子。因此，对于典型的单次曝光的图像传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比。
采用传统CCD图像传感器的摄像机在采集一幅图像的过程中只对整个图像采样一次，必然会出现对整个图像中明亮的区域过度曝光，或较暗的区域曝光不足的现象。CCD宽动态技术是采用特殊数字信号处理DSP（Digital Signal Processor）电路，对明亮部分进行最合适的快门速度曝光，然后再对阴暗的部分进行最合适的快门速度曝光，然后将两个图像进行DSP技术重新组合，使明亮的部分和阴暗的部分都可以看得很清楚。这需要较高的技术使色彩和清晰度损失最小。由于扫描速度要提高一倍，所以需要双速CCD和相应的DSP芯片支持，这也是宽动态CCD摄像机价格比较高的原因。
DSP是一种独特的微处理器，是用数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字信号转换为模拟信号或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的计算机芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最显著的两大特色。
1.DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点
1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；
5）快速的中断处理和硬件I/O支持；
6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；
7）可以并行执行多个操作；
8）支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠执行。
当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。
2.DSP优点
对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小；容易实现集成；VLSI可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。
3.DSP缺点
需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。但是其优点远远超过缺点。
4.DSP的应用
（1）语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。
（2）图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。
（3）军事：保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。
（5）自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。
（7）家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。
（三）CCD摄像机扩展动态范围的方法
目前，CCD摄像机扩展动态范围的方法有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和单帧图像多次取样方法四种方法。
1.输出信号伽马修正方法
伽马修正方式或称灰阶比率修正方式，其典型特征为基于模拟电路或修正算法加DSP而进行单次曝光的输出灰阶比率修正方式。其工作过程如下：
1）利用成像器件CCD及标准测光/曝光控制电路对监控场景进行一次适当速度曝光，并将得到的图像存储到数据缓冲存储器中。
2）通过所设计的模拟电路或利用DSP中特有的图像处理算法，对图像中的不同亮度层次进行取样，并将接近的层次划分成若干等级，其划分的等级数在数字处理方式中取决于图像的复杂程度及DSP的处理能力。
3）按照用户要求的方式，分组逐渐降低高亮度层次间的灰阶关系，同时逐渐提高低亮度层次间的灰阶关系，以达到扩展低亮度区域的层次关系，压缩高亮度区域的层次关系的目的，从而间接地扩展了图像亮度的动态范围。
2.对数压缩放大方法
对数压缩放大方式或称自动拐点取样方式，其典型特征为基于普通感光器件单次曝光及非线性前置放大器的对数曲线放大方式。其工作过程如下：
1）利用成像器件CCD及标准测光/曝光控制电路对监控场景进行一次适当速度曝光，并将累计的电荷按照标准方式传送到后端的前置放大器进行放大。
2）前置放大器在对图像中亮度适当及较暗的区域进行放大时，采用接近线性的放大比（对数曲线的下端），即随着图像亮度的提高而放大输出，这样放大器的放大比基本上是恒定的，以达到保持亮度适当及较暗区域的层次目的；前置放大器在对图像中亮度较高的区域进行放大时，采用非线性（渐进斜率压缩）的放大方式（对数曲线的上端），即随着图像亮度的提高而相应降低放大器的放大比例，这样放大器的放大比及输出电平会渐进，但非常迅速地下降，以达到压缩高亮度区域的目的。因此，使较暗区域的亮度适当，高亮度区域亮度压缩，以输出适中的图像。(www.xing528.com)
3.单帧图像两次取样方法
单帧图像两次取样方式或称两次合成电子快门，其典型特征则为基于中速感光器件及高速DSP的两次取样曝光及图像分割合成技术。其工作过程如下：
1）利用成像器件CCD对监控场景进行第一次标准速度曝光（如用1/60s快门），其曝光量如图8-1a所示，将得到的第一帧图像存储到数据缓冲存储器中。
2）利用数字信号处理器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），就要进行亮度评估。
3）根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光（如1/6000s快门），其曝光量如图8-1b所示，并将第二次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中。
图8-1 双曝光时间与曝光量示意图
4）再利用DSP并通过其中嵌入的特有的图像处理算法，将两幅图像中亮度适当的部分分别切割下来，在一帧新的图像中合成起来即可。
5）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1/6000s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。
4.单帧图像多次取样方法
单帧图像的多次取样方式或称五次合成电子快门，其典型特征则为基于高速感光器件及高速DSP的多次取样曝光及图像分割合成技术。其工作过程如下：
1）利用成像器件CCD对监控场景进行第一次标准速度曝光（如用1/60s快门），将得到的第一帧图像存储到数据缓冲存储器中。
2）利用数字信号处理器DSP并通过特有的图像处理算法，对送来的图像数据进行分析，当图像中较暗的部分曝光正常，对曝光过度的区域（即高亮度区域），进行亮度评估。
3）根据亮度评估结果，再采用高速快门进行曝光（如1/6000s快门），并将第二次拍摄的图像也存储到数据缓冲存储器中。
4）根据对图像的最暗区域至最亮区域的中间过渡范围的整体评估，再对图像进行三次中间层次的曝光，这样又得到了三帧针对过渡范围内亮度不同的曝光图像。
5）通过特有的图像识别算法，将上述5幅图像当中亮度适当的部分分别切割下来，再在一帧新的图像中合成起来，完成并最终输出满意的图像即可。
在安防监控领域中，一般多采用单帧图像两次或五次取样方法，尤其多用两次曝光取样方法。
宽动态技术效果如图8-2所示。
图8-2 宽动态技术效果示意图
（四）摄像机动态范围的测试方法
对摄像机动态范围的测试方法可能不尽相同，但其测试原理大同小异，这里介绍一基本方法。
测试摄像机动态范围所需的设备及条件如下。
1.测试的设备
1）透射灰度卡与反射灰度卡；
2）亮度可调的背光灯箱与亮度可调的照射光源；
3）视频监视器与波形监视器；
5）标准内镜头等。
测试的条件：需要在暗室内进行。
2.测试摄像机动态范围的基本方法与步骤
1）在暗室中一桌子的同一垂直平面上安装两套双阶灰度测试卡，其中1套透射灰度卡采用亮度可调的背光光源作为恒定参照，调整背光源亮度，确保自正面中心确认白块表面的发散照度为2500lx；另外一套反射灰度卡采用位于其正面的亮度可调的照射光源，以用于测定动态范围的临界值。
2）架设待测摄像机与灰度测试卡中心同水平面高度，并保持与灰度测试卡垂直平面呈90°夹角，同时使摄像机镜头视角能涵盖两套灰度测试卡。
3）将摄像机的输出信号连接到视频监视器与波形监视器。
4）在摄像机加电稳定后，开启扩展动态范围功能，将正面的照射光源的亮度调整到2500lx。显然，在这种照度下是曝光过度的（出厂的标准照度多为2000lx），此时反射灰度卡的白色端条纹可能会出现层次混合，即有两条或更多灰度条表现出相同的白色，而分辨不出亮度的差别。
5）再不断缓慢降低光源亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。当顶电平因为光源照度降低而开始相应降低时，记录此时的照度值（如L1），这一照度值即为该摄像机动态范围的上限。此时的摄像机应当正好可以表现出亮度较大的白色条纹之间的亮度层次区别。
6）然后再不断继续缓慢降低亮度，并不断从波形监视器上观察与记录反射灰度测试卡波形的顶电平。当顶电平不再因为光源照度降低而继续相应降低时，记录此时的照度值（如L2），这一照度值即为该摄像机动态范围的下限。此时摄像机拍摄的灰度卡图像中在亮度暗的两个灰黑色条纹之间的亮度层次区别应当正好消失而混合成一块黑色。
3.测试结果计算
用上述实际测试方法计算动态范围的公式如下：
动态范围=20lgL1/L2
例如某CCD宽动态摄像机顶电平变化自2200lx开始至1.1lx结束，由上式可得
动态范围（dB）=20lg2200/1.1=66
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