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為了滿足圖像系統越來越廣泛的要求，無論是個人還是專業的應用，科研還是工業，都對圖像質量提出了越來越高的要求。其中的一個指標動態范圍，是決定圖像質量的最重要指標。近兩年CCD和CMOS芯片在提高動態范圍上都獲得了很大的進步，例如CCD利用類似于雪崩二極管的撞擊（impationigation）現象，產生電子倍增效果。

 

本章節重點理解CCD圖像傳感器的動態范圍，我們將從動態范圍的定義開始。用一句話解釋：它是指感光材料所能同時記錄的最暗到最亮的亮度級別的范圍。處于這個范圍之外的亮度，感光材料已經無法記錄下其影像，因此將其表現為死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。動態范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。

在機器視覺系統中，反映每一個像元灰度質量的指標是動態范圍，也是機器視覺系統要考慮的重要指標之一。動態范圍和空間分辨率是機器視覺系統的二個主要指標。

 

灰度的動態范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轉換之后的數字視頻量是用比特（bits）位數n表示。

 

在現實世界中，一幅圖像會同時具有最亮和最暗的區域，它們之間的差距可能是十分巨大的，機器視覺系統所采集的圖像應盡可能地反映出這種灰度的巨大變化范圍。此外，在現實世界中圖像灰度的微小變化，可能就是機器視覺系統要區別的目標和背景的界限，所以機器視覺系統也應盡可能地將圖像中灰度的細微變化反映出來。

 

這二個概念合并起來，就是動態范圍，而它又主要取決于工業相機的性能。

 

如果我們把自己限制在光敏電子的范圍內，我們可以簡化定義如下:動態范圍表示傳感器能夠記錄的最大光強的變化。在這篇文章中，我想探索動態范圍的概念，它適用于數字成像系統。我們將對這個問題有一個更全面的理解。

 

數字成像系統中的動態范圍

 

由于本文重點是CCD作為數碼相機的組件，而不是孤立的光探測設備，下面讓我們進一步了解動態范圍與整個成像系統的關系。

 

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。

 

我們可以把動態范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。在數字系統中，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位灰度范圍為例，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只能表示色調，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系統的限制，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，其中的黑白不同于物理場景中的“黑”和“白”。

 

實質情況是，物理世界經常呈現亮度變化，遠遠超過相機的測量能力。動態范圍告訴我們一個特定的成像系統能捕捉到多少變化，這反過來又幫助我們理解這個系統能在高對比度，即亮度變化大的情況下能夠很好地再現場景。

 

動態范圍的影響

 

讓我們假設你正在拍攝一個場景，其中包括一個深陰影的壁櫥和由陽光直接照射的白色花邊窗簾。在第一張照片中，衣柜看起來是黑色的，所有細節都消失了。我們只能延長曝光時間。當你增加曝光，再照一張時，衣柜看起來還不錯，但現在窗簾全白了——你失去了整個畫面的細節。

 

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

 

高動態范圍(HDR)成像

 

上面的例子告訴我們，圖像傳感器有限的動態范圍并不會妨礙相機在單獨圖像中充分捕捉高光和陰影。我們所需要做的就是用不同的曝光時間拍攝多張照片。

 

因此，我們可以通過合并多幅圖像來擴展傳感器的場景間動態范圍，而這正是人們在創建高動態范圍(HDR)圖像時所做的。HDR過程包括精確地對齊同一場景的多個圖像，并創建一個合成圖，該合成圖將曝光時間較長的圖像的陰影細節與曝光時間較短的圖像的高亮細節合并在一起。

 

我認為內部動態范圍只是動態范圍，我更傾向于將場景間動態范圍指定為感知的動態范圍或類似的東西。鏡頭間動態范圍可以通過使用濾光片，軟件等技巧無限擴展;它并沒有告訴我們系統中最重要硬件性能。

 

總而言之，動態范圍是表征工程系統的基本手段，成像系統也不例外。