动态范围的定义与原理 - 安防知识网

首先介绍，灰度的概念，然后借此来【解释图像中的动态范围和对比度的关系】。简单的说，灰度是个绝对值，8位色的灰度就是从黑（0）到...

首先介绍，灰度的概念，然后借此来【解释图像中的动态范围和对比度的关系】。

简单的说，灰度是个绝对值，8位色的灰度就是从黑（0）到白（255）共有256个等级。这256个等级画在白纸条上很好理解，一边是涂黑的，一边是纸的原白，但在显示器上就有问题了。

在显示器上，黑就是显示器完全不亮，这个简单。但白就不好定义了（究竟多亮算白？），这在不同的显示器上（或者显示器亮度调节的不同）有不同的结果。假设有这样一台显示器，它最亮时（就是输入255时）能够达到1000W灯泡那么亮（这也是它的最高亮度了），那么它的动态范围就比最亮时只能达到500W灯泡亮度的显示器要大。所以对显示器来说，动态范围就是它能达到的最高亮度与全黑的比值（当然在这个范围内的亮度变化应该完全随信号线性变化）。

【动态范围】主要是用来衡量受光者（如相机里的感光器件）与发光者（如显示器）的，并不用于已数字化的图片。因为无论感光器件有多高级，动态范围有多大，即使它接收的图像有足够大的亮度差（例如蓝天中的一片白云与近处岩石后面的阴影被摄入同一幅图像），只要它被数字化为8位图像，那么这幅图像仍然只有256级灰度。这也就是说，感光器件的质量水平不同（就是动态范围不同），它们提供的256级灰度反映的 “实际的亮度差“ 是不一样的。从这一点而言，当然感光（发光）器件的动态范围越大，就越能更真实的记录（显示）自然界的亮度变化。

【对比度】是一个相对值。就一幅图片而言，它反映了图片上最亮处与最黑处的比值。假设这幅图片上最亮与最黑之间的变化是均匀的，如果这个比值没有超过显示这幅图片的显示器的动态范围，那么我们看这幅图时会说它有充分的层次。如果这幅图片上最亮处与最黑处的比值超过了显示这幅图片的显示器的动态范围，那毫无疑问，偏亮的部分就已经达到了显示器的亮度极限，那更亮的部分也不会更亮，这部分的层次就会丢失。同理，图片中较暗的地方显示器已成全黑，那更暗的部分也无法显示。

实际上，数字图像处理中的对比度拉伸是当一幅图像中的亮暗差较小时（例如只有50~150），我们比较均匀的扩展它的对比度，将它的幅值拉伸到10~180或5~240。这样，暗处显得更黑，亮处显得更亮些，由于是均匀拉伸，原本不易分辨的灰度差（中间灰度）也拉开了距离，显得图片更富有层次。

传感器的动态范围

动态范围表示图像所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大，所能表示的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广。如下图所示：

动态范围

照的动态范围越大，它能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富。请读者注意，动态范围与色调范围（tonal range）是不同的。

图像的动态范围

当我们用JPEG格式拍摄照片时，照相机图像处理器会以明暗差别强烈的色调曲线记录图像信息。在这个过程中，处理器常常会省去一部分RAW数据上的暗部细节和亮部细节。RAW格式使数码图像保持了传感器的动态范围，并且允许用户以一条合适的色调曲线压缩动态范围和色调范围，使照片输出到显示器或被打印出来后，获得适当的动态范围，适合观看。在色调范围的专题中，我们介绍了一个极端的例子。从这个例子可以看到在32位浮点图像中，较大的动态范围和色调范围是如何被压缩的。

像素素大小和动态范围

看到这个地方，相信读者都应该清楚：数码相机的传感器是由数以百万个象素组成的，这些象素在传感器曝光的过程中吸收光子，转化成数字信号，然后成像。这个过程就像我们拿数百万个水桶到户外收集雨水。感光区域越光亮，收集的光子量自然越多。在传感器曝光后，传感器按照每个象素收集的光子量不同，赋予它们不连续的值，转化为数字信号（详细请看前面的AD转换器）。没有吸收光子和吸收光子至满载的象素值分别为"0"和"255"，即代表纯黑色和纯白色。下图的传感器只有16个象素，这些象素能在传感器曝光过程中迅速吸收光子。

一旦这些象素满载，光子便会溢出。溢出会导致信息（细节）损失，以红色为例，高光溢出使满载红色的象素附近的其他象素的值都变成255，但其实它们的真实值并没有达到255。换句话说，画面的细节发生了损失。在柱状图部分我们已经提到，这样会造成高光部分的信息缺失。另一方面，如果我们减少曝光时间来防止高光溢出，很多用来描述昏暗环境的象素没有足够的时间接收光子量，得出的象素值为0，这样反而会导致昏暗部分的信息缺失。

通过上面的说明，我们现在可以了解为什么数码单反会拥有更大的动态范围。原因很简单：数码单反的象素比较大。大的象素不会太快被“填满”，因此描述昏暗环境的象素在描述光亮环境的象素“满载”之前，有更多时间吸收光子，画面细节便会更加丰富。