為wei了le滿man足zu圖tu像xiang係xi統tong越yue來lai越yue廣guang泛fan的de要yao求qiu
，無wu論lun是shi個ge人ren還hai是shi專zhuan業ye的de應ying用yong

，科ke研yan還hai是shi工gong業ye，都dou對dui圖tu像xiang質zhi量liang提ti出chu了le越yue來lai越yue高gao的de要yao求qiu。其qi中zhong的de一yi個ge指zhi標biao動dong態tai範fan圍wei，是shi決jue定ding圖tu像xiang質zhi量liang的de最zui重zhong要yao指zhi標biao。近兩年CCD和CMOS芯片在提高動態範圍上都獲得了很大的進步，例如CCD利用類似於雪崩二極管的撞擊（impationigation）現象
，產生電子倍增效果。

 

本章節重點理解CCD圖像傳感器的動態範圍
，我們將從動態範圍的定義開始。用一句話解釋：它ta是shi指zhi感gan光guang材cai料liao所suo能neng同tong時shi記ji錄lu的de最zui暗an到dao最zui亮liang的de亮liang度du級ji別bie的de範fan圍wei。處chu於yu這zhe個ge範fan圍wei之zhi外wai的de亮liang度du，感gan光guang材cai料liao已yi經jing無wu法fa記ji錄lu下xia其qi影ying像xiang
，因yin此ci將jiang其qi表biao現xian為wei死si黑hei（如果更暗）或死白（如果更亮）。動態範圍可以直接用光比來表示
，但更方便的是用光圈的檔數差來表示。

zaijiqishijiaoxitongzhong，fanyingmeiyigexiangyuanhuiduzhiliangdezhibiaoshidongtaifanwei，yeshijiqishijiaoxitongyaokaolvdezhongyaozhibiaozhiyi。dongtaifanweihekongjianfenbianlvshijiqishijiaoxitongdeergezhuyaozhibiao。

 

灰度的動態範圍在工業相機中的模擬視頻部分用信號/噪音比（Signal to Noise Ratio）SNR表示；而在工業相機或圖像采集卡的A/D轉換之後的數字視頻量是用比特（bits）位數n表示。

 

在(zai)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)中(zhong)，一(yi)幅(fu)圖(tu)像(xiang)會(hui)同(tong)時(shi)具(ju)有(you)最(zui)亮(liang)和(he)最(zui)暗(an)的(de)區(qu)域(yu)
，它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)距(ju)可(ke)能(neng)是(shi)十(shi)分(fen)巨(ju)大(da)的(de)，機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)所(suo)采(cai)集(ji)的(de)圖(tu)像(xiang)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)反(fan)映(ying)出(chu)這(zhe)種(zhong)灰(hui)度(du)的(de)巨(ju)大(da)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)。此(ci)外(wai)，在(zai)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)中(zhong)圖(tu)像(xiang)灰(hui)度(du)的(de)微(wei)小(xiao)變(bian)化(hua)，可(ke)能(neng)就(jiu)是(shi)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)要(yao)區(qu)別(bie)的(de)目(mu)標(biao)和(he)背(bei)景(jing)的(de)界(jie)限(xian)，所(suo)以(yi)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)也(ye)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)將(jiang)圖(tu)像(xiang)中(zhong)灰(hui)度(du)的(de)細(xi)微(wei)變(bian)化(hua)反(fan)映(ying)出(chu)來(lai)。

 

這二個概念合並起來，就是動態範圍
，而它又主要取決於工業相機的性能。

 

如果我們把自己限製在光敏電子的範圍內，我們可以簡化定義如下:dongtaifanweibiaoshichuanganqinenggoujiludezuidaguangqiangdebianhua。zaizhepianwenzhangzhong，woxiangtansuodongtaifanweidegainian，tashiyongyushuzichengxiangxitong。womenjiangduizhegewentiyouyigegengquanmiandelijie。

 

數字成像係統中的動態範圍

 

由於本文重點是CCD作為數碼相機的組件，而不是孤立的光探測設備，下麵讓我們進一步了解動態範圍與整個成像係統的關係。

 

首先，亮度這個術語幾乎是“光強度”的同義詞
，但亮度專門指的是由一個特定物體或區域反射、發射或發出的光。而照相機相應亮度指的是從視覺場景的給定部分到達傳感器的光量。

 

我們可以把動態範圍看作是產生白色圖像與產生黑色圖像的亮度之間的比率。在數字係統中，白色對應ADC可能的最高輸出值，黑色對應ADC可能的最低輸出值。以常用的8位灰度範圍為例，白色= 255


，黑色= 0:

 

 

 

數字單色圖像中的黑白與物理場景中的“黑”和“白”非常不同，原因有三:

 

1.在視覺感知中
，“黑”和“白”與顏色(或缺乏顏色)有關，而一個基本的光敏裝置隻能表示色調，即“黑”和“白”，為測量亮度的視覺表示。

 

2.在自然界中，真正的黑色是完全沒有光的:即零亮度，就像在任何地方都看不到一個光子。事物可以在圖像中呈現黑色

，即使它們在物理現實中遠非黑色。

 

3.在圖像中，白色表示最大亮度。在自然界中，亮度持續增加;宇宙中光的強度不受測量係統的限製，如膠片相機、CCD相機、人眼等。如果你學過PS就大致能理解了。

 

 

 

一種數字單色圖像，其中的黑白不同於物理場景中的“黑”和“白”。

 

shizhiqingkuangshi，wulishijiejingchangchengxianliangdubianhua，yuanyuanchaoguoxiangjideceliangnengli。dongtaifanweigaosuwomenyigetedingdechengxiangxitongnengbuzhuodaoduoshaobianhua，zhefanguolaiyoubangzhuwomenlijiezhegexitongnengzaigaoduibidu，jiliangdubianhuadadeqingkuangxianenggouhenhaodizaixianchangjing。

 

動態範圍的影響

 

讓rang我wo們men假jia設she你ni正zheng在zai拍pai攝she一yi個ge場chang景jing
，其qi中zhong包bao括kuo一yi個ge深shen陰yin影ying的de壁bi櫥chu和he由you陽yang光guang直zhi接jie照zhao射she的de白bai色se花hua邊bian窗chuang簾lian。在zai第di一yi張zhang照zhao片pian中zhong，衣yi櫃gui看kan起qi來lai是shi黑hei色se的de，所suo有you細xi節jie都dou消xiao失shi了le。我wo們men隻zhi能neng延yan長chang曝pu光guang時shi間jian。當dang你ni增zeng加jia曝pu光guang，再zai照zhao一yi張zhang時shi
，衣yi櫃gui看kan起qi來lai還hai不bu錯cuo
，但dan現xian在zai窗chuang簾lian全quan白bai了le——你失去了整個畫麵的細節。

 

這個案例傳達了與圖像傳感器的動態範圍相關的基本限製。場景的最大亮度與最小亮度的比率超過了傳感器的動態範圍，因此，“高光”中的細節和“陰影”部分你不可能同時保留。

 

高動態範圍(HDR)成像

 

上shang麵mian的de例li子zi告gao訴su我wo們men
，圖tu像xiang傳chuan感gan器qi有you限xian的de動dong態tai範fan圍wei並bing不bu會hui妨fang礙ai相xiang機ji在zai單dan獨du圖tu像xiang中zhong充chong分fen捕bu捉zhuo高gao光guang和he陰yin影ying。我wo們men所suo需xu要yao做zuo的de就jiu是shi用yong不bu同tong的de曝pu光guang時shi間jian拍pai攝she多duo張zhang照zhao片pian。

 

因此

，我們可以通過合並多幅圖像來擴展傳感器的場景間動態範圍
，而這正是人們在創建高動態範圍(HDR)圖像時所做的。HDR過guo程cheng包bao括kuo精jing確que地di對dui齊qi同tong一yi場chang景jing的de多duo個ge圖tu像xiang，並bing創chuang建jian一yi個ge合he成cheng圖tu，該gai合he成cheng圖tu將jiang曝pu光guang時shi間jian較jiao長chang的de圖tu像xiang的de陰yin影ying細xi節jie與yu曝pu光guang時shi間jian較jiao短duan的de圖tu像xiang的de高gao亮liang細xi節jie合he並bing在zai一yi起qi。

 

我(wo)認(ren)為(wei)內(nei)部(bu)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)隻(zhi)是(shi)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)，我(wo)更(geng)傾(qing)向(xiang)於(yu)將(jiang)場(chang)景(jing)間(jian)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)指(zhi)定(ding)為(wei)感(gan)知(zhi)的(de)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)或(huo)類(lei)似(si)的(de)東(dong)西(xi)。鏡(jing)頭(tou)間(jian)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)濾(lv)光(guang)片(pian)，軟(ruan)件(jian)等(deng)技(ji)巧(qiao)無(wu)限(xian)擴(kuo)展(zhan);它並沒有告訴我們係統中最重要硬件性能。

 

總而言之
，動態範圍是表征工程係統的基本手段，成像係統也不例外。