HDR處理

　　圖像的質量取決于各種因素，包括照明。根據照明情況，場景的部分區域可能太暗，而有些區域太亮。在這些區域往往看不到細節。丟失的細節可能在應用中是非常重要的，那里需要作出關鍵的決策。

　　圖4 HDR處理實例

　　動態范圍（也稱為圖像的最大對比度）描述圖像的最亮點到相同圖像最暗點之間的比率。人的眼睛能夠看到這兩個區域中的細節，但大多數圖像傳感器具有有限的動態范圍，并且不能夠捕捉相同圖像在這兩個區域中的細節。為了能夠在高對比度區域看到細節，需要捕獲具有不同的曝光時間的同一場景的多個圖像。需要很短的曝光時間以捕獲非常明亮的區域，需要長曝光時間以捕獲暗的區域。

　　具有不同曝光時間的圖像可以被組合成一個圖像，提高了圖像的動態范圍。不同曝光時間的場景捕獲和這些圖像整合為一個圖像被稱為高動態范圍（HDR）處理，也被稱為寬動態范圍（WDR）處理。HDR處理、全局和局部的色調映射算法被用來創建單一的圖像，擴展了動態范圍，在相同圖像的高對比度區域中顯示出細節。動態范圍通常以dB表示。好的HDR圖像的動態范圍大于或等于90。例如，Aptina720p HDR傳感器（MT9M034）的動態范圍為120dB。

　　HDR處理算法有很強的處理功能，尤其是當使用更高幀速率的兆像素傳感器時。這些都需要很強的處理能力，現成的圖像信號處理器（ISP）往往無法實現。使用FPGA實現這些復雜和需要大量資源的的算法是最佳的。相同的FPGA器件可用于實現附加的圖像處理算法。

　　圖5 基于FPGA的傳感器接口橋接和HDR處理

　　圖5展示了用松下MN34041圖像傳感器實現HDR。具有不同曝光時間的兩個1080p幀以每秒60幀（fps）的速度捕獲。通過一個行緩沖器傳遞一個幀，同步這兩個捕獲的幀。同步后，兩幀被組合，并加工成每秒30幀的1080p幀。在上述的例子中，傳感器接口、行緩沖器控制器、幀合成器和色調映射算法是用單片萊迪思的MachXO2 FPGA來實現的。處理的幀然后被傳遞的圖像信號處理器，用于進一步的處理。

　　視頻分析

　　視頻分析（VA）具有能夠自動分析視頻的功能， 以檢測并確定事件。視頻分析可用于廣泛的應用領域，包括安防監控、汽車、交通控制、以及零售。運動檢測是最流行的視頻分析算法，相對固定的背景場景檢測運動。Intellivision公司針對基于LatticeECP3 HDR-60攝像機開發套件已經開發了一套完整的智能視頻分析和移植，可實現智能安全攝像機的設計。該套件包括智能視頻移動檢測、智能入侵檢測，以及攝像機篡改檢測。智能視頻移動探測可以區分動物和人，必要時會發送警報。當有人打開一扇門或進入受限制的空間時，智能入侵檢測會發出警報。有了攝像機篡改檢測功能，如果攝相機被移動，阻擋或破壞聚焦，可以發出警報并采取相應的行動。

　　圖6 視頻分析演示

　　針對基于HDR-60攝像機開發套件的視頻分析演示，圖6展示了基于以太網的圖形控制界面。黃線表示計數器演示，用戶能夠在屏幕的水平，垂直或對角線位置上定位這條黃線。如果一個對象穿過這根線，那么這個對象從一個位置到另個位置就會被計數。此功能可以用來數出人們進入或退出某個位置的數目。紅色方框表示一個受限制的區域，可以對紅色框的大小和位置進行編程，以滿足特定應用。一旦對象進入現場，就會被檢測到。對象進入紅色框表示的受限制區域可以設置警報。自動檢測和報警可以取代昂貴的攝像機圖像的實時監控。在圖6中未展示的第三個功能是攝像機的篡改檢測。當攝相機被遮蓋或移動時，會發送警報。

　　總結

　　更高分辨率和更高幀速率圖像傳感器的需求在繼續增長。這些圖像傳感器和先進的圖像信號處理算法的整合，如HDR和智能視頻分析，開辟了新的、還無法想象的應用領域。現有的信號處理器跟不上新的復雜應用的性能要求。可編程FPGA器件能夠同時與多個高分辨率圖像傳感器接口，拼接在一起成為全景或平鋪格式，并在同一芯片上運行HDR和智能視頻分析算法，因此FPGA器件是一個的理想選擇。