HDR处理实例分析 - 莱迪思技术专家分享：基于FPGA的视频监控时代

　　HDR处理

　　图像的质量取决于各种因素，包括照明。根据照明情况，场景的部分区域可能太暗，而有些区域太亮。在这些区域往往看不到细节。丢失的细节可能在应用中是非常重要的，那里需要作出关键的决策。

　　

　　图4 HDR处理实例

　　动态范围（也称为图像的最大对比度）描述图像的最亮点到相同图像最暗点之间的比率。人的眼睛能够看到这两个区域中的细节，但大多数图像传感器具有有限的动态范围，并且不能够捕捉相同图像在这两个区域中的细节。为了能够在高对比度区域看到细节，需要捕获具有不同的曝光时间的同一场景的多个图像。需要很短的曝光时间以捕获非常明亮的区域，需要长曝光时间以捕获暗的区域。

　　具有不同曝光时间的图像可以被组合成一个图像，提高了图像的动态范围。不同曝光时间的场景捕获和这些图像整合为一个图像被称为高动态范围（HDR）处理，也被称为宽动态范围（WDR）处理。HDR处理、全局和局部的色调映射算法被用来创建单一的图像，扩展了动态范围，在相同图像的高对比度区域中显示出细节。动态范围通常以dB表示。好的HDR图像的动态范围大于或等于90。例如，Aptina720p HDR传感器（MT9M034）的动态范围为120dB。

　　HDR处理算法有很强的处理功能，尤其是当使用更高帧速率的兆像素传感器时。这些都需要很强的处理能力，现成的图像信号处理器（ISP）往往无法实现。使用FPGA实现这些复杂和需要大量资源的的算法是最佳的。相同的FPGA器件可用于实现附加的图像处理算法。

　　

　　图5 基于FPGA的传感器接口桥接和HDR处理

　　图5展示了用松下MN34041图像传感器实现HDR。具有不同曝光时间的两个1080p帧以每秒60帧（fps）的速度捕获。通过一个行缓冲器传递一个帧，同步这两个捕获的帧。同步后，两帧被组合，并加工成每秒30帧的1080p帧。在上述的例子中，传感器接口、行缓冲器控制器、帧合成器和色调映射算法是用单片莱迪思的MachXO2 FPGA来实现的。处理的帧然后被传递的图像信号处理器，用于进一步的处理。

　　视频分析

　　视频分析（VA）具有能够自动分析视频的功能， 以检测并确定事件。视频分析可用于广泛的应用领域，包括安防监控、汽车、交通控制、以及零售。运动检测是最流行的视频分析算法，相对固定的背景场景检测运动。Intellivision公司针对基于LatticeECP3 HDR-60摄像机开发套件已经开发了一套完整的智能视频分析和移植，可实现智能安全摄像机的设计。该套件包括智能视频移动检测、智能入侵检测，以及摄像机篡改检测。智能视频移动探测可以区分动物和人，必要时会发送警报。当有人打开一扇门或进入受限制的空间时，智能入侵检测会发出警报。有了摄像机篡改检测功能，如果摄相机被移动，阻挡或破坏聚焦，可以发出警报并采取相应的行动。

　　

　　图6 视频分析演示

　　针对基于HDR-60摄像机开发套件的视频分析演示，图6展示了基于以太网的图形控制界面。黄线表示计数器演示，用户能够在屏幕的水平，垂直或对角线位置上定位这条黄线。如果一个对象穿过这根线，那么这个对象从一个位置到另个位置就会被计数。此功能可以用来数出人们进入或退出某个位置的数目。红色方框表示一个受限制的区域，可以对红色框的大小和位置进行编程，以满足特定应用。一旦对象进入现场，就会被检测到。对象进入红色框表示的受限制区域可以设置警报。自动检测和报警可以取代昂贵的摄像机图像的实时监控。在图6中未展示的第三个功能是摄像机的篡改检测。当摄相机被遮盖或移动时，会发送警报。

　　总结

　　更高分辨率和更高帧速率图像传感器的需求在继续增长。这些图像传感器和先进的图像信号处理算法的整合，如HDR和智能视频分析，开辟了新的、还无法想象的应用领域。现有的信号处理器跟不上新的复杂应用的性能要求。可编程FPGA器件能够同时与多个高分辨率图像传感器接口，拼接在一起成为全景或平铺格式，并在同一芯片上运行HDR和智能视频分析算法，因此FPGA器件是一个的理想选择。