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【ISP】WDR and HDR

news 2025/6/23 11:17:55

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文章目录

1、原理
2、应用场景
3、效果
4、成本与复杂度
5、联系
[附录]
- ISO（感光度、增益）
- 固定增益
- 曝光
[参考]

当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的 “动态范围”。

摄像机的动态性（通常指动态范围）是指摄像机能够同时清晰捕捉场景中最亮部分和最暗部分细节的能力。动态范围越大，摄像机在处理高对比度场景时的表现就越好。

HDR（High Dynamic Range，高动态范围）和 WDR（Wide Dynamic Range，宽动态范围）都是用于处理图像或视频中动态范围场景的技术，旨在解决场景中亮部和暗部细节难以同时清晰呈现的问题。

1、原理

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一般来说，WDR更倾向于通过硬件来实现这一功能，而HDR则更多是通过软件处理来达到效果。

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（1）HDR

HDR技术通过拍摄多张不同曝光度的照片（如欠曝、正常曝、过曝），然后将这些照片进行合成，以获取更广泛的亮度范围。在合成过程中，算法会根据不同区域的亮度情况，从对应的曝光照片中选取最合适的像素信息，从而保留亮部和暗部的细节。

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例如在拍摄风景照片时，天空通常很亮，而地面可能较暗。使用HDR模式拍摄，相机可以分别拍摄一张天空不过曝、地面细节清晰的照片，一张整体曝光正常的照片，以及一张地面不过暗、天空有细节的照片，最后将这三张照片合成，得到一张天空和地面细节都丰富的照片。

（2）WDR

WDR主要依靠图像传感器和图像处理芯片来实现。图像传感器能够同时捕捉到场景中亮部和暗部的信息，通过特殊的电路设计和算法处理，对亮部和暗部的信号进行分别调整和优化，使得最终输出的图像中亮部和暗部都能有较好的细节表现。

以监控摄像头为例，摄像头在面对同时有明亮窗户和室内较暗区域的场景时，WDR技术可以让窗户外的景色不过曝，同时室内的物体也能清晰可见。

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人眼的宽动态性能超强，对于实际场景中和各种光线下的区域，如较暗的区域和较亮的区域都能同时看清。而对于传统的摄像机、镜头来说确是一个很大的挑战。

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2、应用场景

（1）HDR

常用于摄影领域，特别是在拍摄风景、建筑、人像等场景时，能够提升照片的质量和艺术感。例如在拍摄日出日落时，HDR可以更好地展现天空的色彩和地面的细节。

在电影和视频制作中也有应用，但通常需要专业的设备和后期处理软件，对硬件和软件的要求较高。

（2）WDR

主要应用于安防监控、车载摄像头、工业检测等领域。在这些场景中，需要实时、快速地获取清晰的图像，对设备的实时性和稳定性要求较高。例如在安防监控中，需要能够清晰地捕捉到不同光线条件下的目标物体；在车载摄像头中，要能够在白天强光和夜晚弱光环境下都能提供清晰的视野。

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3、效果

（1）HDR

HDR效果通常更加自然和真实，能够更好地还原场景的色彩和细节。由于是通过对多张照片进行合成，所以可以避免一些由于单一曝光导致的细节丢失问题。但是，如果合成算法不够优化，可能会出现一些不自然的痕迹，如光晕、重影等。

（2）WDR

WDR的效果更注重实时性和实用性，能够在短时间内输出清晰的图像。不过，由于是依靠传感器和芯片的实时处理，可能在某些极端情况下，对亮部和暗部的细节处理不如 HDR 那么精细，可能会出现一些噪点或色彩偏差（可能牺牲部分色彩准确性）。

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摄像机的灵敏度是指摄像机对光线的敏感程度，它反映了摄像机在低光照环境下捕捉图像的能力。灵敏度越高，摄像机在光线较暗的情况下越能清晰地拍摄到物体。

虽然宽动态摄像机的出现弥补了普通摄像机在背光补偿中的缺点，但也存在不足。动态范围和灵敏度是两个矛盾因素，通常动态范围大的摄像机其灵敏度较低，而高灵敏度的摄像机动态范围相对较低。也就是说目前宽动态摄像机在环境光线足够时完全能够满足环境的需求，呈现出高质量的图像，但在低照度情况下，使用状况并不是太好。这也是目前各生产宽动态摄像机厂家迫切要解决的技术问题。同时，物体截面光的折射也会使宽动态摄像机的动态效果不是十分满意。

4、成本与复杂度

（1）HDR

实现HDR需要拍摄多张照片并进行后期合成，对设备的拍摄速度和存储容量有一定要求，同时也需要专业的后期处理软件和技能。因此，HDR的成本相对较高，操作也相对复杂。

（2）WDR

WDR主要依赖于图像传感器和芯片的性能，硬件成本相对较低。而且WDR是实时处理的，不需要后期合成，操作简单，更适合大规模应用。

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5、联系

（1）目标一致

HDR和WDR的核心目标都是解决图像或视频中高动态范围场景下亮部和暗部细节难以同时清晰呈现的问题，提高图像的质量和可视性。无论是摄影、视频制作还是安防监控等领域，都希望能够获取到细节丰富、层次分明的图像。

（2）技术相互借鉴

随着技术的不断发展，HDR和WDR之间也在相互借鉴和融合。例如，一些高端的监控摄像头开始采用类似HDR的多帧合成技术来提升WDR效果；而在摄影领域，也有一些相机厂商在研发更快速、更高效的HDR合成算法，以提高拍摄的实时性。

（3）共同推动图像技术发展

HDR和WDR技术的不断进步，推动了整个图像技术的发展。它们促使图像传感器、图像处理芯片、算法等关键技术不断创新和提升，为各个领域带来了更好的图像解决方案。

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[附录]

ISO（感光度、增益）

定义：ISO 是国际标准化组织（International Organization for Standardization）制定的感光度标准。在摄影中，它表示相机传感器（如 CCD 或 CMOS）对光线的敏感程度。

由来：自 1974 年起，ASA（美国标准协会）和 DIN（德国工业标准）的两种胶片标准合并为 ISO 标准，后来针对胶片和数码摄影的内容进行了修订。从那时起，感光度（photosensibility）便被称为“ISO”。

ISO 最初来源于胶片时代，数字越低（如 ISO 100），感光度越低；数字越高（如 ISO 3200 或更高），感光度越高。进入数码时代后，ISO 成为传感器电子信号增益的代名词。换句话说，当你提高 ISO 时，相机实际上是在增强接收到的微弱信号，让画面看起来更亮（高ISO设置下，传感器对光线的敏感度增加，能够捕捉到更多的光线信息）。

但这里有一个关键点：增益并非无代价的魔法。 高 ISO 会导致噪点增加、色彩还原能力下降，以及最重要的——动态范围的损失。

数值范围：ISO 的数值范围通常从 ISO 100 开始，向上递增，如 ISO 200、ISO 400、ISO 800 等。部分相机还支持更低的 ISO 值（如 ISO 50）和更高的 ISO 值（如 ISO 12800 甚至更高）。

选择原则：在光线充足的环境下，应尽量使用较低的 ISO 值以减少噪点；在光线不足或需要使用高速快门时，可以适当提高 ISO 值。

固定增益

在图像信号处理器（ISP）中，固定增益是一种用于调整图像亮度的控制方式，它通过使用预设的恒定增益值来保持图像亮度的稳定性或实现特定的视觉效果。

固定增益，意味着在图像处理过程中，ISP使用一个预先设定好的、恒定的增益值来调整图像的亮度，而不是根据场景的实际亮度自动调整增益。

影像系统中，ISO 概念在相机领域用的较多，增益（db）概念在摄像头领域用得多

固定增益的工作原理

在ISP中，增益控制通常通过调整模拟增益（Analog Gain）和数字增益（Digital Gain）来实现：

模拟增益：

在模拟信号阶段进行调整，直接影响传感器输出的模拟信号强度。

数字增益：

在数字信号阶段进行调整，对模拟信号进行数字化处理后再进行增益调整。

固定增益意味着这两个阶段的增益值都是预设的，不会根据场景亮度自动变化。ISP通过运行在其上的固件对增益值进行设定，并在处理图像时保持这些值不变。

固定增益的应用场景

光照恒定环境：

如室内监控、工业检测等场景，光照条件相对稳定，使用固定增益可以保持图像亮度的稳定性，避免自动增益控制可能引入的亮度波动。

特定视觉效果需求：

在需要实现特定视觉效果的场景中，如低光环境下的噪点抑制、高光环境下的细节保留等，可以通过调整固定增益值来优化图像质量。

固定增益与自动增益的区别

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曝光

曝光是指光线强度乘以光线所作用的时间，即传感器受光线照射的强度（照度）与曝光时间的乘积。在摄影中，曝光量以勒克斯·秒（Lux·s）为单位，它表示了图像传感器接收到的总光量。

ISP中的自动曝光（AE，Automatic Exposure）算法负责根据环境光线动态调整相机曝光参数，以保证图像质量。AE算法通过分析传感器的像素统计数据，如GR（绿红）和GB（绿蓝）累加分量，来动态调整快门速度、光圈大小和ISO感光度等参数，以实现理想的图像亮度。正确的曝光对于捕捉细节、色彩和整个场景的动态范围至关重要。

曝光强度 = 曝光时间 * 光圈大小 * ISO（图像增益）

曝光参数：