【技術(shù)貼】圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍

什么是動(dòng)態(tài)范圍？

動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range）是圖像傳感器重要的參數(shù)之一，它決定了圖像傳感器能接收的陰影部分到高光部分的光亮強(qiáng)度分布范圍，也就是決定了所拍攝出來的圖像的細(xì)節(jié)、層次、特征。

傳統(tǒng)膠片成像

基于光化學(xué)理論，在相機(jī)拍攝時(shí)，光線通過相機(jī)鏡頭達(dá)到膠片的感光晶體鹵化銀上，引起膠片的光學(xué)密度發(fā)生變化，曝光量越大，光學(xué)密度越小，呈現(xiàn)非線性關(guān)系。當(dāng)有光線照射到鹵化銀上時(shí)，鹵化銀轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏你y，經(jīng)過顯影工藝后固定于片基，成為黑白膠片。彩色膠片則是涂抹了三層鹵化銀來表現(xiàn)三原色。

數(shù)字圖像成像

利用圖像傳感器（CCD、CMOS）把接收到的光信號通過傳感器上的光敏單元離散成正比于曝光量的成千上萬個(gè)像素點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理后變成數(shù)字信號，最后經(jīng)過微處理器的非線性運(yùn)算轉(zhuǎn)換成圖像的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式。例如BMP、JPEG、TIFF等存儲(chǔ)在物理介質(zhì)上。

動(dòng)態(tài)范圍的定義

動(dòng)態(tài)范圍定義為最大可測光強(qiáng)與最小可測光強(qiáng)的比值，還可以定義為像素阱容量飽和時(shí)與無光照條件下的像素噪聲電子數(shù)的比值，單位用分貝（dB）表示，表達(dá)式為：

自然場景中從無月的暗夜到太陽直射的動(dòng)態(tài)范圍約為180dB，而普通的圖像傳感器由于勢阱容量的限制，動(dòng)態(tài)范圍通常在70dB左右。

真實(shí)世界中同一場景中動(dòng)態(tài)范圍變化很大，我們稱之為高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range），相對的普通圖片上的動(dòng)態(tài)范圍為低動(dòng)態(tài)范圍（Low Dynamic Range）。

相機(jī)的成像過程實(shí)際上就是真實(shí)世界的高動(dòng)態(tài)范圍到相片的低動(dòng)態(tài)范圍的映射（非線性），例如：

動(dòng)態(tài)范圍的影響因素

阱容量

普通圖像傳感器由于感光元件阱容量有限，存儲(chǔ)光電荷的能力也有限，當(dāng)光照強(qiáng)度超過一定程度時(shí)，存儲(chǔ)的電荷達(dá)到飽和將無法再接收。一旦這些像素滿載，光子便會(huì)溢出，溢出就會(huì)導(dǎo)致信息損失。

以紅色為例，高光溢出使?jié)M載紅色的像素附近的其它像素的值都變成255，但其實(shí)它們的真實(shí)值并沒有達(dá)到255。換句話說，畫面的細(xì)節(jié)發(fā)生了損失，這樣會(huì)造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時(shí)間來防止高光溢出，很多用來描述昏暗環(huán)境的像素則沒有足夠的時(shí)間接收光子量，得出的像素值為0，這樣就會(huì)導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。

圖像位深

目前普通的輸出/顯示設(shè)備受軟硬件的限制，使得數(shù)字圖像處理部分大多是基于8bit來進(jìn)行的，只能表示出256個(gè)灰度等級，導(dǎo)致圖像的亮度等級與真實(shí)場景的亮度等級相差較大。

因此，傳統(tǒng)的圖像傳感器無論接收的圖像有多大的亮度差，只要它被數(shù)字化為8位圖像，那么這幅圖像就只有256灰度級。若圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍不同，它們提供的256級灰度反映的實(shí)際亮度差是不同的，即動(dòng)態(tài)范圍越大，就越能顯示自然界的亮度變化。

提高動(dòng)態(tài)范圍的方法

阱容量調(diào)節(jié)

提高像素滿阱容量或降低像素噪聲水平是直接提高圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的方法。然而現(xiàn)代像素的尺寸不斷縮小，對于一個(gè)給定的像素架構(gòu)，其具有固定的填充因子，因此，很難通過提高滿阱容量的方法來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。

位深調(diào)節(jié)

提高圖像位數(shù)是一個(gè)較為普遍的方法，能夠通過將一幅圖像的灰度級提高來體現(xiàn)更多的層次和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

對數(shù)響應(yīng)技術(shù)

通過改變像素的信號輸出曲線來推遲像素達(dá)到飽和時(shí)所需要的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)增大像素電荷容量、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的目的。

多重曝光技術(shù)

在不改進(jìn)像素光電二極管的前提下，傳統(tǒng)低動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器可以通過合成多張曝光圖片來獲得高動(dòng)態(tài)范圍圖片。

審核編輯 黃宇