2.1 多重亮度紅外線打光器之原理
多重亮度紅外線打光器是由[1]所提出之方法，此系統主要以週期性等比級數由大 至小改變電壓樣式(pattern)的方式，使紅外線打光器光源產生光源強度之變化，當設 定 1/24 秒為改變紅外線光源變化的一階(level)，則表示一秒會有四次六階的紅外線光 源強度變化。此方式於一固定週期時間內提供多種紅外線光源變化組合而產生不同光 源強度的照明，使不同位置距離之目標物(人)產生不同的亮度反應，而攝影系統也將 取得不同亮度之影像，並可從其影像中獲得所需適當亮度的資訊。如圖 2.1 所示，為 多重亮度紅外線打光器之六階週期性光源強度變化波形。如圖 2.2 所示，為多重亮度 紅外線打光器之六階週期性光源強度變化之影像反應。
圖 2.1 多重亮度紅外線打光器光源之六階週期性光源強度變化波形
圖 2.2 多重亮度紅外線打光器之六階週期性光源強度變化之影像反應 Level 1
Level 2 Level 3
Level 4 Level 5
Level 6
Level 1 Level 2 Level 3 Level 4 Level 5 Level 6
Frame N Frame N+1 Frame N+2 Frame N+3 Frame N+4 Frame N+5 1/24 sec
Voltage (Light intensity)
Time
2.2 數位紅外線攝影系統之曝光特性
多重亮度紅外線打光器的影像特性與數位紅外線攝影系統的感測元件之曝光特 性有關。目前攝影系統主要使用的感測元件(sensor)有兩種，第一種為電荷耦合元件 (Charge-Coupled Device, CCD)；而另一種為互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)。這兩種感測元件各自有不同的曝光方式，其中電 荷耦合元件是以畫面(frame)為單位的方式進行曝光(global shutter)，所以一次曝光時，
若亮度有變化的情形下只會有畫面的亮暗變化；而互補式金屬氧化物半導體則是以列 (line)為單位的方式進行曝光(rolling shutter) ，所以當一次曝光時，若有亮度變化的情 形下會使不同時間點曝光的列之亮暗有所變化，因此造成一個畫面有多個不同亮度的 列組合而成，所以當感測元件不同曝光特性的不同，會造成畫面有不同的反應。目前 本研究的攝影系統的感測元件，是採用互補式金屬氧化物半導體曝光是以列為單位的 方式，使用的原因為互補式金屬氧化物半導體的感測元件之攝影系統若可達到同步，
也就表示電荷耦合元件可達到，因為互補式金屬氧化物半導體曝光是以列為單位的方 式，若有些微的不同步或不穩定易造成整張畫面中不同列就會有亮度差異的情形，相 較於整張畫面曝光更容易發現不同步或不穩定的問題，如圖 2.3 所示，為電荷耦合元 件與互補式金屬氧化物半導體感測元件曝光示意圖。
圖 2.3 電荷耦合元件與互補式金屬氧化物半導體感測元件曝光示意圖
TN TN+1
TN TN+1
CCD
CMOS
Pixel Electric
Pixel Electric Light Source
Light Source
Time
2.3 多重亮度紅外線打光器之影像特性
因多重亮度紅外線打光器本身可程式化與週期性的特性，當多重亮度紅外線打光 器依程式設定使用一固定週期改變亮度；而數位紅外線攝影系統本身的感測元件也有 其感測(曝光)的週期，而使用者所看到的就是每張畫面停留的時間，以每張畫面為 1/24 秒為例，則代表一秒就會有 24 張畫面輸出也就是畫面更新率(frame rate)。此運作方式 的兩個系統之打光與曝光間的動作若各自有獨立的週期在進行運作就會造成不同步 所產生兩種以上的曝光於同一畫面的結果，如圖 2.4 所示。但若兩系統的打光與曝光 的週期改變以週期同步之運作方式就會因同步而產生曝光正常的畫面結果，如圖 2.5 所示。
圖 2.4 週期不同步之畫面產生曝光不正常的影像結果
圖 2.5 週期同步之畫面產生曝光正常的影像結果
Exposure Intensity infrared illuminator (Level 1)
Exposure Intensity infrared illuminator (Level 1) Intensity infrared illuminator (Level 6)
Frame Frame
2.4 非同步曝光與多重亮度紅外線打光器之影像亮度週期分布與特性
以曝光與多重亮度紅外線打光器不同步的情形進行探討，當數位紅外線攝影系統 以固定週期進行影像輸出(綠色)與曝光(藍色)，與多重亮度紅外線打光器主要會發生 兩種不同步的情形：
一、多重亮度紅外線打光器的週期大於曝光的週期：
當多重亮度紅外線打光器的週期大於曝光的週期非整數倍關係的條件下(式子 2-1)，會造成畫面中產生兩種曝光亮度的影像結果。以本圖例約為 1.5 倍的情形，則 會於第 N+1、N+2、N+4、N+5、N+8 與 N+9 的畫面中灰色分界區域左右產生兩種不 同的亮度而造成不同曝光亮度之影像結果，如圖 2.6 所示。
Exposure period
period r
Illuminato MOD 0 (2-1)
圖 2.6 多重亮度紅外線打光器的週期大於曝光的週期
二、多重亮度紅外線打光器的週期小於曝光的週期：
當多重亮度紅外線打光器週期小於曝光週期且比例介於大於 0 倍與小於 1 倍之範 圍間的條件下(式子 2-2)，會造成每個畫面中產生兩種或兩種以上曝光亮度之影像結果。
以本圖例約為 0.7 倍的情形，則於每個畫面中灰色分界區域左右產生兩種以上不同的 亮度而造成不同曝光亮度的影像結果如，如圖 2.7 所示。
ms
Frame Exposure Illuminator
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6
1
0
period Exposure
period r
Illuminato
(2-2)
圖 2.7 多重亮度紅外線打光器的週期小於曝光的週期
上述兩種不同步曝光的情形，皆會於畫面中產生兩種以上不同的亮度，而造成不 同曝光的情形發生。其中又以多重亮度紅外線打光器週期越小於曝光週期的情形越容 易發生，產生影像畫面不穩定性與分群不規則性的問題，造成後續影像處理與分析的 困難度。
2.5 同步曝光與多重亮度紅外線打光器之影像亮度週期分布與特性
以曝光與多重亮度紅外線打光器同步的情形進行探討，當數位紅外線攝影系統以 固定週期進行影像輸出(綠色)與曝光(藍色)，並且多重亮度紅外線打光器的週期等於 曝光的週期，則會發生兩種同步的情形：
一、多重亮度紅外線打光器週期的正、負脈波寬等於曝光週期的正、負脈波寬：
當多重亮度紅外線打光器週期的正脈波寬等於與曝光週期的正脈波寬(式子 2-3) 且多重亮度紅外線打光器的負脈波寬等於與曝光週期的負脈波寬(式子 2-4)，當以上 兩條件成立，可保證多重亮度紅外線打光器每一階的光源強度於畫面中完整曝光的影 像結果，如圖 2.8 所示。
ms
Frame Exposure Illuminator
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9
N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9 N+10 N+11 N+12 N+13
width