1.1 研究動機
數位攝影系統的普及於人們的生活中已隨處可見，而數位攝影監控相關的研究與 技術也於近幾年有著顯著的發展與應用。這些應用多半利用數位攝影監控系統以獲得 影像資料的收集，再將這些資料經過科學的處理與分析成有意義的資訊，但數位攝影 監控過程中環境光源的變化與目標物(人)位置距離的改變是不可預期的。在光源充足 的環境中對於現行數位攝影系統要達到呈現清晰且適合亮度的影像是不困難的，但在 光源不足的環境中對於現行數位攝影系統如何呈現清晰且適合亮度的影像就有其一 定的困難度。
目前應用於光源不足環境中的數位攝影監控系統為了補足其光源不足所造成影 像不清晰的問題，經常會加上輔助的光源以增加環境的光源、目標物(人)的亮度與攝 影的有效範圍。常見使用的輔助光源以紅外線(infrared)為主，稱之為紅外線打光器 (infrared illuminator)，其光源輔助方式為固定功率連續性的模式，此光源輔助的方式 會使位於光源適當距離的目標物(人)於影像上有適當的亮度可產生清晰度較佳的影像；
但如果位於光源距離較遠的目標物(人)則可能於影像上因亮度不足而產生過暗且不清 晰的影像的結果，如圖1.1(a)所示。而光源位置距離較近的目標物(人)於影像上因亮度 過亮而產生過亮且不清晰的影像的結果，如圖1.1 (b) 所示。
（a） （b）
因此本研究期望改善夜間攝影品質，使用可程式週期性控制各種光源強度方式的 多重亮度紅外線打光器(multi-intensity infrared illuminator)[1]與數位紅外線攝影系統 的曝光(exposure)之週期同步結合成一夜間監控系統(nighttime surveillance system)。且 用此方式同步後之影像快速完成影像亮度多重動態範圍的分群(cluster)動作，適於監 控即時系統的應快速反應的需求，並達到不同位置距離的目標物(人)於各自適合的影 像亮度分群中可呈現清晰且適合亮度的影像，以強化紅外線夜間監控攝影的影像品質 之目的。
1.2 相關研究
目前於高反差環境影像品質的改善大都使用不同曝光值或不同增益值去合成出 高動態範圍(High Dynamic Range, HDR)之影像，以達到獲取更多影像細節資訊之目的。
此方式對於有一定照度之環境完成高動態範圍之影像是不困難的，但對於夜間監控的 低照度環境要完成高動態範圍之影像確有一定困難度，若僅使用曝光或增益改變的方 式是無法有效改善影像品質與增加監控資訊的目的。因此如何有效運用影像攝影系統 的曝光功能與環境光源照度之改變去達到清晰、適合亮度之影像，主要相關研究分為 改變曝光與增益或改變伽瑪曲線(gamma curve)兩大類方向，來實現高動態系統之影 像：
改變曝光與增益之方式
[2]利用相機拍攝之影像進行運算反應函速，並根據此函數做為調整合成之原始影 像各像素之亮度，並使用高斯函數(Gaussian function)決定影像中各像素之權重植；[3]
使用±2EV之曝光值影像，按曝光影像結果達127左右最為適當，並以此基礎進行相鄰 近區域的權重分配以合成高動態影像的依據；[6]使用多張不同曝光值之影像進行高動 態影像之合成，將每張不同曝光之映象分成多個固定大小之矩形區塊，而多張曝光值 之影像於同一區塊位置中，運算選擇出邊緣特性較強的曝光值影像，以此做為合成高 動態影像之原始強度，該參考像素位置與該區塊中心 之位置使用高斯混和函速
(Gaussian blending function)進行修正合成高動態影像強度之權重依據，以補償高動態 影像合成所造成邊界不平滑問題；[12][13]則皆使用調整曝光值之方法進行實現，而[7]
則使用增益匹配影像(Gain Mapping Image, GMI)之方法有效改善8位元之標準影像合 成至高動態影像之結果；[14]則調整增益值之方式，以達到高動態範圍影像合成的結 果。
改變伽瑪曲線之方式
[8]使用色調匹配(tone-mapping)之方法進行亮度修正，以達高動態範圍影像之目 的；[9]則提出因視訊使用基礎進行建構膚色模型與對比增強之高動態影像方法，以改 善視訊以人為主的影像品質；[10]根據低動態範圍之影像提出計算簡易且有效率的新 式融合圖像演算法以增加影像動態範圍；[11]用於有限高對比影像，提出色調匹配方 法是基於亮度值的對數(logarithmic)壓縮，並依據影像內容進行自適性(adaptive)修正 適合之亮度與對比。
其他也有使用上述兩種方法或因快速移動拍攝合成為高動態影像所產生之問題 進行改善的研究，[5]提出色調匹配(tone-mapping)加上多曝光值合成高動態範圍影像 之方法，有效提升影像訊噪比(SNR)多出11dB的改善；[4]針對高動態範圍影像應用於 動態的影像中，進行有效的高動態範圍處理，並判可斷移動向量及快速移動影像中鬼 影移除的方法。上述之相關研究皆以改變曝光與增益或改變伽瑪曲線之方法，以增加 影像細節獲得高動態範圍之影像，但僅改變曝光與增益或改變伽瑪曲線(gamma curve) 的方法，會因為攝影系統有其有效動態範圍表現之極限，而影響改善效果。本研究之 打光器可依使用環境需求搭配不同功率之紅外線以增加其有效動態範圍，並搭配同步 之方法，以改善同一張畫面的局部亮度不一致之問題與降低影像分析之運算，達到快 速分群之結果，更符合監控系統及時之需求並強化紅外線夜間監控影像品質之目的。
1.3 研究特點
本實驗室之前的研究[1]為使用多重亮度打光器與數位紅外線攝影系統為兩獨立 運作之系統，若多重亮度打光器改變的週期與數位紅外線攝影系統曝光的週期無法同 步，將造成每個亮度變化週期不固定與畫面獲得不同亮度曝光的不正常情形，於畫面 中則會產生局部亮度不一致之問題。為此情形要進行辨識、歸納、分析與分群將會耗 費一定的系統運算與時間，對於監控即時系統的反應時間短的需求將難以達到，而造 成畫面的更新速率降低之情形。因此本研究提出一同步的概念達到快速完成影像亮度 分群之動作與多動態範圍影像之想法，以強化紅外線夜間監控攝影的影像品質之目的。
本研究的特點如下：
1. 將多重亮度紅外線打光器與數位紅外線攝影系統進行同步結合，達到快速分群的動 作與監控系統的即時反應的需求，適用於環境光源不足的紅外線夜間監控應用。
2. 提出兩種同步方式以多重亮度紅外線打光器週期為主或以數位紅外線攝影系統週 期為主的模式。
3. 使用預覽程式將硬體同步後之輸出影像進行快速分群之動作以產生多重動態範圍 之影像，以提升紅外線夜間監控的動態範圍(可視有效範圍)。
4. 使用標準差(standard deviation)之方法進行系統同步穩定性評估，以確認同步之動作 於影像上之行為一致驗證。
1.4 各章節簡介
本研究之各章節安排概述如下，第二章將介紹多重亮度紅外線打光器的原理與影 像特性並說明數位紅外線攝影系統的感測元件之曝光特性。第三章是說明同步曝光與 多重紅外線打光器之製作方法，並提供兩種進行硬體同步的方式。第四章則是利用完 成同步之曝光與多重紅外線打光器之輸出影像於軟體預覽程式進行快速分群之動作，
以建構完整同步的多重動態範圍影像系統並使用標準差之方法進行系統同步穩定性 評估與比較。第五章是使用標準差之方法進行實驗之數據及數據分析。最後將於第六
章討論同步與非同步之差異，以及未來展望之探討。