了解成像系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)范圍

　　在本系列的前面部分，我們介紹了圖像傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)（從光子到電子），這開啟了我們對(duì)三種 CCD 圖像傳感器架構(gòu)的討論：全幀、行間傳輸和幀傳輸。然后我們回顧了CCD 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)和操作特性。

　　本討論的下一步是了解 CCD 圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，這是從動(dòng)態(tài)范圍的定義開始的探索。幸運(yùn)的是，我已經(jīng)寫了整篇文章專門討論這個(gè)問題：什么是動(dòng)態(tài)范圍？在那篇文章中，我試圖提供一個(gè)相當(dāng)全面的解釋，可以應(yīng)用于各種工程系統(tǒng)。

　　如果我們將自己限制在光敏電子設(shè)備的背景下，我們可以將定義簡(jiǎn)化如下：動(dòng)態(tài)范圍表示傳感器可以記錄的光強(qiáng)度的變化。

　　但這個(gè)故事還有很多內(nèi)容，在本文中，我想探討動(dòng)態(tài)范圍的概念，因?yàn)樗m用于數(shù)字成像系統(tǒng)。這樣，我們將從更全面地理解這個(gè)問題開始，然后在下一篇文章中，我們可以檢查半導(dǎo)體和電路設(shè)計(jì)級(jí)別的動(dòng)態(tài)范圍。

　　數(shù)字成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍

　　本系列重點(diǎn)關(guān)注 CCD 作為數(shù)碼相機(jī)中的組件，而不是作為孤立的光檢測(cè)設(shè)備，因此讓我們仔細(xì)看看動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)于整個(gè)成像系統(tǒng)的含義。

　　首先，我將正式介紹術(shù)語亮度。這幾乎是“光強(qiáng)度”的同義詞，但亮度特指由特定物體或區(qū)域反射、發(fā)射或源自特定物體或區(qū)域的光。相機(jī)對(duì)亮度做出響應(yīng)，即對(duì)從視覺場(chǎng)景的給定部分到達(dá)傳感器的光量做出響應(yīng)。

　　我們可以將動(dòng)態(tài)范圍視為在結(jié)果圖像中產(chǎn)生白色的亮度與在結(jié)果圖像中產(chǎn)生黑色的亮度之間的比率。在數(shù)字系統(tǒng)中，白色對(duì)應(yīng)于可能的 ADC 輸出值，黑色對(duì)應(yīng)于可能的 ADC 輸出值。如果我們以常用的8位灰度范圍為例，白色=255，黑色=0：

　　8 位灰度，范圍從黑色（像素值為 0）到白色（像素值為 255）。

　　8 位灰度，范圍從黑色（像素值為 0）到白色（像素值為 255）。

　　數(shù)字單色圖像中的黑白與物理場(chǎng)景中的“黑”和“白”有很大不同，原因如下：

　　在視覺感知中，“黑”和“白”與顏色（或缺乏顏色）相關(guān)聯(lián)，而基本光敏設(shè)備僅指示色調(diào)，即測(cè)量亮度的視覺表示。

　　在自然界中，真正的黑色是完全沒有光：亮度為零，因?yàn)樵谌魏蔚胤蕉伎床坏絾蝹€(gè)光子。即使物體在物理現(xiàn)實(shí)中遠(yuǎn)非黑色，但它們?cè)趫D像中可能會(huì)顯示為黑色。

　　在圖像中，白色表示亮度。在自然界中，亮度不斷增加；宇宙中光的強(qiáng)度不受測(cè)量系統(tǒng)（膠片相機(jī)、CCD 相機(jī)、人眼等）的限制。

　　數(shù)字單色圖像

　　一種數(shù)字單色圖像，其中黑白不同于物理場(chǎng)景中的“黑”和“白”。

　　這里的底線是，物理世界經(jīng)常呈現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相機(jī)測(cè)量能力的亮度變化。動(dòng)態(tài)范圍告訴我們特定成像系統(tǒng)可以捕獲多少變化，這反過來又有助于我們了解系統(tǒng)可以在多大程度上再現(xiàn)高對(duì)比度（即亮度變化較大）的場(chǎng)景。

　　動(dòng)態(tài)范圍的影響

　　假設(shè)您正在拍攝一個(gè)場(chǎng)景，其中包括一個(gè)陰影很深的壁櫥和被陽光直射照亮的白色花邊窗簾。在張圖片中，衣柜看起來是黑色的——所有有趣的細(xì)節(jié)都丟失了。好吧，沒問題，我們只是需要更長(zhǎng)的曝光時(shí)間。您增加曝光并拍攝另一張照片。衣柜看起來不錯(cuò)，但現(xiàn)在窗簾完全是白色的 - 您已經(jīng)丟失了圖像不同部分的所有細(xì)節(jié)。

　　此練習(xí)傳達(dá)了與圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)的基本限制。場(chǎng)景的亮度與亮度之比超出了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，因此，您無法保留“高光”（即明亮部分）和“陰影”（即黑暗部分）的細(xì)節(jié)。

　　高動(dòng)態(tài)范圍 （HDR） 成像

　　上面的例子提醒我們，圖像傳感器的有限動(dòng)態(tài)范圍并不妨礙相機(jī)充分捕捉單獨(dú)圖像中的高光和陰影。我們需要做的就是用不同的曝光時(shí)間拍攝多張圖像。

　　因此，我們可以通過組合多個(gè)圖像來擴(kuò)展傳感器的場(chǎng)景間（而不是場(chǎng)景內(nèi)）動(dòng)態(tài)范圍，而這正是人們?cè)趧?chuàng)建高動(dòng)態(tài)范圍 （HDR） 圖像時(shí)所做的事情。HDR 過程涉及對(duì)齊同一場(chǎng)景的多個(gè)圖像，并創(chuàng)建一個(gè)合成圖像，將較長(zhǎng)曝光時(shí)間圖像的陰影細(xì)節(jié)與較短曝光時(shí)間圖像的高光細(xì)節(jié)結(jié)合起來。

　　我認(rèn)為場(chǎng)景內(nèi)動(dòng)態(tài)范圍只是動(dòng)態(tài)范圍，我更愿意將場(chǎng)景間動(dòng)態(tài)范圍指定為感知?jiǎng)討B(tài)范圍或類似的東西。通過使用光學(xué)濾鏡、軟件技巧等，場(chǎng)景間的動(dòng)態(tài)范圍幾乎可以無限擴(kuò)展；它并沒有告訴我們太多關(guān)于系統(tǒng)中重要硬件的功能。

　　結(jié)論

　　動(dòng)態(tài)范圍是表征工程系統(tǒng)的基本手段，成像系統(tǒng)也不例外。在下一篇文章中，我們將討論動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)樗c CCD 的結(jié)構(gòu)和外部信號(hào)處理電路有關(guān)。