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

 

本章節(jié)重點理解CCD圖像傳感器的動態(tài)范圍，我們將從動態(tài)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(jīng)無法記錄下其影像，因此將其表現(xiàn)為死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。動態(tài)范圍可以直接用光比來表示，但更方便的是用光圈的檔數(shù)差來表示。

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，反映每一個像元灰度質(zhì)量的指標(biāo)是動態(tài)范圍，也是機(jī)器視覺系統(tǒng)要考慮的重要指標(biāo)之一。動態(tài)范圍和空間分辨率是機(jī)器視覺系統(tǒng)的二個主要指標(biāo)。

 

灰度的動態(tài)范圍在工業(yè)相機(jī)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(jī)或圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字視頻量是用比特（bits）位數(shù)n表示。

 

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

 

這二個概念合并起來，就是動態(tài)范圍，而它又主要取決于工業(yè)相機(jī)的性能。

 

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

 

數(shù)字成像系統(tǒng)中的動態(tài)范圍

 

由于本文重點是CCD作為數(shù)碼相機(jī)的組件，而不是孤立的光探測設(shè)備，下面讓我們進(jìn)一步了解動態(tài)范圍與整個成像系統(tǒng)的關(guān)系。

 

首先，亮度這個術(shù)語幾乎是“光強(qiáng)度”的同義詞，但亮度專門指的是由一個特定物體或區(qū)域反射、發(fā)射或發(fā)出的光。而照相機(jī)相應(yīng)亮度指的是從視覺場景的給定部分到達(dá)傳感器的光量。

 

我們可以把動態(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(shù)字系統(tǒng)中，白色對應(yīng)ADC可能的最高輸出值，黑色對應(yīng)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(shù)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(guān)，而一個基本的光敏裝置只能表示色調(diào)，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(xiàn)黑色，即使它們在物理現(xiàn)實中遠(yuǎn)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(xù)增加;宇宙中光的強(qiáng)度不受測量系統(tǒng)的限制，如膠片相機(jī)、CCD相機(jī)、人眼等。如果你學(xué)過PS就大致能理解了。

 

 

 

一種數(shù)字單色圖像，其中的黑白不同于物理場景中的“黑”和“白”。

 

實質(zhì)情況是，物理世界經(jīng)常呈現(xiàn)亮度變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相機(jī)的測量能力。動態(tài)范圍告訴我們一個特定的成像系統(tǒng)能捕捉到多少變化，這反過來又幫助我們理解這個系統(tǒng)能在高對比度，即亮度變化大的情況下能夠很好地再現(xiàn)場景。

 

動態(tài)范圍的影響

 

讓我們假設(shè)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(xì)節(jié)都消失了。我們只能延長曝光時間。當(dāng)你增加曝光，再照一張時，衣柜看起來還不錯，但現(xiàn)在窗簾全白了——你失去了整個畫面的細(xì)節(jié)。

 

這個案例傳達(dá)了與圖像傳感器的動態(tài)范圍相關(guān)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(tài)范圍，因此，“高光”中的細(xì)節(jié)和“陰影”部分你不可能同時保留。

 

高動態(tài)范圍(HDR)成像

 

上面的例子告訴我們，圖像傳感器有限的動態(tài)范圍并不會妨礙相機(jī)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(kuò)展傳感器的場景間動態(tài)范圍，而這正是人們在創(chuàng)建高動態(tài)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(chuàng)建一個合成圖，該合成圖將曝光時間較長的圖像的陰影細(xì)節(jié)與曝光時間較短的圖像的高亮細(xì)節(jié)合并在一起。

 

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

 

總而言之，動態(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。