為了滿(mǎn)足圖像系統越來(lái)越廣泛的要求，無(wú)論是個(gè)人還是專(zhuān)業(yè)的應用，科研還是工業(yè)，都對圖像質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。其中的一個(gè)指標動(dòng)態(tài)范圍，是決定圖像質(zhì)量的最重要指標。近兩年CCD和CMOS芯片在提高動(dòng)態(tài)范圍上都獲得了很大的進(jìn)步，例如CCD利用類(lèi)似于雪崩二極管的撞擊（impationigation）現象，產(chǎn)生電子倍增效果。

 

本章節重點(diǎn)理解CCD圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，我們將從動(dòng)態(tài)范圍的定義開(kāi)始。用一句話(huà)解釋?zhuān)核侵父泄獠牧纤芡瑫r(shí)記錄的最暗到最亮的亮度級別的范圍。處于這個(gè)范圍之外的亮度，感光材料已經(jīng)無(wú)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(dòng)態(tài)范圍可以直接用光比來(lái)表示，但更方便的是用光圈的檔數差來(lái)表示。

在機器視覺(jué)系統中，反映每一個(gè)像元灰度質(zhì)量的指標是動(dòng)態(tài)范圍，也是機器視覺(jué)系統要考慮的重要指標之一。動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率是機器視覺(jué)系統的二個(gè)主要指標。

 

灰度的動(dòng)態(tài)范圍在工業(yè)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(yè)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(shí)世界中，一幅圖像會(huì )同時(shí)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(jué)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(shí)世界中圖像灰度的微小變化，可能就是機器視覺(jué)系統要區別的目標和背景的界限，所以機器視覺(jué)系統也應盡可能地將圖像中灰度的細微變化反映出來(lái)。

 

這二個(gè)概念合并起來(lái)，就是動(dòng)態(tài)范圍，而它又主要取決于工業(yè)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(jiǎn)化定義如下:動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)范圍的概念，它適用于數字成像系統。我們將對這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)更全面的理解。

 

數字成像系統中的動(dòng)態(tài)范圍

 

由于本文重點(diǎn)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(jìn)一步了解動(dòng)態(tài)范圍與整個(gè)成像系統的關(guān)系。

 

首先，亮度這個(gè)術(shù)語(yǔ)幾乎是“光強度”的同義詞，但亮度專(zhuān)門(mén)指的是由一個(gè)特定物體或區域反射、發(fā)射或發(fā)出的光。而照相機相應亮度指的是從視覺(jué)場(chǎng)景的給定部分到達傳感器的光量。

 

我們可以把動(dòng)態(tài)范圍看作是產(chǎn)生白色圖像與產(chǎn)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(chǎng)景中的“黑”和“白”非常不同，原因有三:

 

1.在視覺(jué)感知中，“黑”和“白”與顏色(或缺乏顏色)有關(guān)，而一個(gè)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(jué)表示。

 

2.在自然界中，真正的黑色是完全沒(méi)有光的:即零亮度，就像在任何地方都看不到一個(gè)光子。事物可以在圖像中呈現黑色，即使它們在物理現實(shí)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(xué)過(guò)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(chǎng)景中的“黑”和“白”。

 

實(shí)質(zhì)情況是，物理世界經(jīng)常呈現亮度變化，遠遠超過(guò)相機的測量能力。動(dòng)態(tài)范圍告訴我們一個(gè)特定的成像系統能捕捉到多少變化，這反過(guò)來(lái)又幫助我們理解這個(gè)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(chǎng)景。

 

動(dòng)態(tài)范圍的影響

 

讓我們假設你正在拍攝一個(gè)場(chǎng)景，其中包括一個(gè)深陰影的壁櫥和由陽(yáng)光直接照射的白色花邊窗簾。在第一張照片中，衣柜看起來(lái)是黑色的，所有細節都消失了。我們只能延長(cháng)曝光時(shí)間。當你增加曝光，再照一張時(shí)，衣柜看起來(lái)還不錯，但現在窗簾全白了——你失去了整個(gè)畫(huà)面的細節。

 

這個(gè)案例傳達了與圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)的基本限制。場(chǎng)景的最大亮度與最小亮度的比率超過(guò)了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，因此，“高光”中的細節和“陰影”部分你不可能同時(shí)保留。

 

高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)成像

 

上面的例子告訴我們，圖像傳感器有限的動(dòng)態(tài)范圍并不會(huì )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(shí)間拍攝多張照片。

 

因此，我們可以通過(guò)合并多幅圖像來(lái)擴展傳感器的場(chǎng)景間動(dòng)態(tài)范圍，而這正是人們在創(chuàng )建高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像時(shí)所做的。HDR過(guò)程包括精確地對齊同一場(chǎng)景的多個(gè)圖像，并創(chuàng )建一個(gè)合成圖，該合成圖將曝光時(shí)間較長(cháng)的圖像的陰影細節與曝光時(shí)間較短的圖像的高亮細節合并在一起。

 

我認為內部動(dòng)態(tài)范圍只是動(dòng)態(tài)范圍，我更傾向于將場(chǎng)景間動(dòng)態(tài)范圍指定為感知的動(dòng)態(tài)范圍或類(lèi)似的東西。鏡頭間動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)使用濾光片，軟件等技巧無(wú)限擴展;它并沒(méi)有告訴我們系統中最重要硬件性能。

 

總而言之，動(dòng)態(tài)范圍是表征工程系統的基本手段，成像系統也不例外。