مقدمه

در بسیاری از برنامه‌های کاربردی نظارتی، شدت تابش نور در یک صحنه می‌تواند بسیار متفاوت باشد. به نظر می‌رسد تصاویر گرفته شده با دوربین‌های استاندارد، به دلیل محدودیت حساسیت سنسور دوربین، دارای پس زمینه بسیار نورانی یا تاریک باشند. آنچه در چنین شرایطی لازم است، دوربین WDR می‌باشد.

دامنه دینامیکی(Dynamic Range )

روشنایی مورد نیاز برای تصویربرداری از یک شی تحت نظارت به طور عمده به شدت نوری که از جسم تابیده یا بازتاب می‌شود وابسته است. وظیفه سنسور، گرفتن این تابش یا بازتاب نور می‌باشد.
واحد اندازه گیری شدت روشنایی، لوکس است. برای یک شیء تحت نظارت که منبع نور نیست، شدت بازتاب نیز تحت تأثیر عواملی نظیر روشنایی اطراف آن، نسبت بازتاب و عوامل دیگر می‌باشد.
در یک وضعیت واقعی، حتی در یک صحنه نظارتی یکسان، روشنایی نواحی مختلف ممکن است بسیار متفاوت باشد. به عنوان مثال، در یک روز آفتابی، نور محیط اطراف در یک محیط باز می‌تواند به 100000 لوکس برسد، این در حالی است که نور در اتاق کار تقریبا 1000 لوکس است و حتی در جاهای تاریک‌تر مانند زیر میز، میزان نور به 10 لوکس نیز می‌رسد. با فرض اینکه تمام این نواحی دارای قابلیت انعکاس نور در سطحی مشابه باشند، نسبت انعکاس ناحیه سایه در محیط داخل به محیط خارج با روشنایی معمولی به این شکل است: 1:100:10000
اگر به منظور ایجاد تمایز بین اشیاء با شدت بازتاب متفاوت، بخواهیم حداقل 5 سطح خاکستری را در ناحیه تاریک حفظ کنیم، این قابلیت باید اطلاعات تصویر سه بخش ذکر شده در بالا که به صورت 10,000 / 0.2 = 50000 می‌باشد را به دست آورد. این موضوع مربوط به دامنه دینامیک 16 بیت(94db) است؛ با این حال، رایج‌ترین سنسورهای تصویر نمی‌توانند به این مقدار برسند. دامنه دینامیکی سنسور رایج فعلی CMOS حدود 12 بیت یا db 72 است. هنگامی که سنسور CMOS در چنین صحنه‌ای استفاده می‌شود، جزئیات تصویر در نواحی روشن و تاریک از دست خواهد رفت.

شکل 1: تصویر در صحنه WDR با میزان بالای روشنایی و تاریکی

تصویربرداری WDR

تا بحال با روش‌های مختلفی سعی شده است که دامنه دینامیکی (DR) سنسور تصویر گسترش داده شود. در حال حاضر، به طور کلی از نوردهی چندجهته (Multiple Exposure) و نوردهی تک جهته (Per-Pixel Exposure) برای کنترل شدت نوردهی استفاده می‌شود. روش نوردهی چندجهته شامل گرفتن دو یا چند تابش نور با دوره‌های زمان مختلف در یک صحنه می‌باشد تا با هدف ایجاد یک تصویر واحد، داده‌های کافی را جمع‌آوری کند. از سوی دیگر، نوردهی تک جهته با تنظیم سطوح مختلف حساسیت برای پیکسل‌های کناری (Neighboring Pixels) در سنسور، می‌تواند تصویر حاصل یکسانی داشته باشد. در دامنه دینامیکی db 94 (همانطور که در بالا ذکر شد)، روش نوردهی چندجهته از سنسور تصویر 12 بیتی(72db) استفاده می‌کند تا اولین نوردهی با زمان1/50 s ، که باعث فعال شدن سنسور دوربین می‌شود را ایجاد نماید. این نوردهی جزئیات کافی را در ناحیه تاریک‌تر فراهم می‌آورد اما روشنایی تصویر در ناحیه روشن‌تر، بسیار بیشتر می‌شود؛ سپس سنسور باعث نوردهی دوم به میزان 1/800 s می‌شود که شدت نوردهی در ناحیه روشن‌تر را به میزان 16/1 کاهش داده، در حالی که تصویر در ناحیه تاریک، تاریک‌تر می‌شود. با کسب دامنه دینامیکی 16 بیتی (96db) که 16 برابر تصویر 12 بیتی (72db) با نوردهی تک جهته است، تصویر حاصل شامل تصویر بعدی می‌باشد که بر روی تصویر اصلی قرار گرفته است. نوردهی تک جهته با بالا بردن حساسیت “پیکسل‌های با حساسیت بالا”‌ به میزان 16 برابر بیشتر از “پیکسل‌های با حساسیت پایین”، در صدد رسیدن به تصویر مشابه می‌باشد.

شکل 2: دامنه دینامیکی گسترده با نوردهی چندجهته

با این وجود، اگرچه دامنه دینامیکی (DR) حساسیت تصویربرداری را می‌توان با نوردهی چندجهته و تک جهته افزایش داد، اما کامل نمی‌باشد. روش نوردهی چندجهته باعث ایجاد روشنایی شبه مانندی در لبه‌های شیء متحرک می‌شود. این روشنایی روح مانند به علت تفاوت‌های کوچک موجود در هر نوردهی، و نوردهی تک جهته می‌باشد که به طور مستقیم می‌تواند رزولوشن تصویر را کاهش دهد.

نگاشت(Tone Mapping)

از آنجایی که دستگاه‌های نمایشگر، مانند مانیتور LCD، کامپیوتر و پروژکتور، همگی دامنه‌های دینامیکی محدودی دارند که برای بازتولید طیف کاملی از شدت نور در صحنه‌های طبیعی ناکافی است، نگاشت می‌تواند برای نشان دادن کل دامنه دینامیکی در حین حفظ کنتراست و رنگ واقعی استفاده شود.

نگاشت به طور عمده می‌تواند به دو نوع اصلی تقسیم شود: نگاشت جهانی و محلی. روش نگاشت جهانی، شبیه منحنی گاما در عکاسی است، چرا که هر پیکسل در تصویر با ارجاع به یک جدول جستجوی غیر خطی به همان شیوه نگاشت شده است. با کاهش نرخ منحنی در جدول گاما که اغلب برای نگاشت دینامیک استفاده می‌شود، دامنه خروجی نیز در صورت بزرگ بودن داده ورودی کاهش می‌یابد.

شکل 3: روش نگاشت جهانی

روش نگاشت جهانی یکسان ساده و سریع است، چرا که هر پیکسل در تصویر با روشنایی یکسان به همان شیوه نگاشت می‌شود، با این حال، می‌تواند منجر به کنتراست نامناسب و یا از دست دادن آن در نواحی روشن‌تر شود.
با توجه به ویژگی‌های استخراج شده از پارامترهای اطراف تصویر، نگاشت محلی می‌تواند روشنایی هر پیکسل را تغییر دهد. پیکسل‌هایی که در قسمت‌های مختلف تصویر واقع شده‌اند، حتی اگر دارای همان روشنایی باشند، به نتایج متفاوتی نگاشت می‌شود و چنین روشی می‌تواند کنتراست بالا و جزئیات بیشتری در تصویر حاصله را فراهم کند.

دامنه دینامیک گسترده دیجیتال (Digital WDR )

با توجه به اطلاعات پیش نیاز فوق، روش‌های WDR باید حداقل شامل دو مرحله باشند: تصویربرداری WDR و نگاشت. در مورد دوربین‌ها، استفاده واقعی از تصویربرداری WDR باید توسط سنسور حرفه‌ای تصویر پشتیبانی شود. در حال حاضر، تکنیک دیگری که به طور کلی به عنوان دامنه گسترده دینامیکی دیجیتال (WDR دیجیتال) نامیده می‌شود، با استفاده از نگاشت محلی به جای تصویربرداری گسترده دینامیک برای ارائه بهبود تصویر است.
عملکرد WDR دیجیتال واقعا نمی‌تواند دامنه دینامیکی دوربین را گسترش دهد، اما با نگاشت محلی و بهینه سازی کنتراست قابل مشاهده، به سادگی جزئیات در نواحی تاریک یا روشن‌تر در تصویر افزایش می‌یابد

روش LATM در WDR

بر اساس اصول نگاشت محلی، تکنیک WDR برخی از شرکت‌ها عمدتا دارای ویژگی‌های Luminance-Adaptive Tone Mapping (LATM) و (SVCE) Space-variant Contrast Enhancement می‌باشند.
روش LATM یک روش نگاشت جهانی است که می‌تواند روشنایی پیکسل را طبق روشنایی و کنتراست صحنه اطراف دوباره تغییر دهد، این کار با هدف افزایش روشنایی در نواحی تاریک و به طور همزمان کاهش روشنایی در نواحی روشن‌تر صورت می‌پذیرد. با منحنی تغییر یافته‌ی LATM، برای فشرده سازی دامنه دینامیک، می‌توان مقادیر WDR اصلی را دوباره تغییر داد، و نواحی تاریک‌تر در تصویر با استفاده از تنظیم توزیع سطح خاکستری می‌تواند به صورتی موثر روشن شود.

شکل 4: نگاشت LATM

با شبیه سازی ویژگی‌های محلی سیستم بینایی انسان، روش SVCE، با ایجاد جزئیات تصویری واقعی‌تر و شفاف و کنتراست بهتر قادر به افزایش کنتراست محلی تصویر و بازتولید جزئیات تصویر در تابع فشرده سازی دامنه دینامیکی (Dynamic Range Compression) می‌باشد.

شکل 5: اثر شبیه سازی روش WDR

فناوریWDR از دامنه دینامیکی کامل سنسور خود به صورت کامل استفاده می‌کند، و با دامنه گسترده و کاملی از بیت‌های داده‌های خروجی سنسور، از 12 تا 20 بیت، سازگار است. هنگامی که خروجی سنسور داده‌های بیت بالا می‌باشد، الگوریتم WDR دارای اثر DRC بهتری است و می‌تواند داده‌های بیت بالا را به داده‌های 12 بیتی استاندارد و تصاویر خروجی با وضوح و دینامیک وسیع تبدیل کند. از آنجا که سیستم بینایی انسان نسبت به نواحی تاریک دارای حساسیت بیشتری است، هنگامی که خروجی سنسور، داده‌های استاندارد بیتی گسترده باشد، WDR ویژگی‌های چشم انسان را شبیه سازی کرده و از دامنه دینامیک داده‌ها برای اطمینان از تاثیر بهینه دینامیکی گسترده نهایت استفاده را می‌کند.

شکل 6: اثر شبیه سازی روش LATM در WDR

درست همانند چشم انسان که می‌تواند هر تغییری در صحنه را جبران کند، فناوری WDR نیز به طور خودکار عمل می‌کند. با سایر دوربین‌های WDR، ویژگی WDR، اغلب رنگ‌های غیر طبیعی و مسائل دیگر به خصوص در شب را تولید می‌کند. با استفاده از WDR خودکار و دامنه دینامیکی حاصل از آن، درست همانطور که انسان آن را می‌بیند، می‌توان از این مسائل اجتناب کرد.