圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍解讀

什么是動(dòng)態(tài)范圍？

動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range）是圖像傳感器重要的參數(shù)之一，它決定了圖像傳感器能接收的陰影部分到高光部分的光亮強(qiáng)度分布范圍，也就是決定了所拍攝出來(lái)的圖像的細(xì)節(jié)、層次、特征。

傳統(tǒng)膠片成像

基于光化學(xué)理論，在相機(jī)拍攝時(shí)，光線通過(guò)相機(jī)鏡頭達(dá)到膠片的感光晶體鹵化銀上，引起膠片的光學(xué)密度發(fā)生變化，曝光量越大，光學(xué)密度越小，呈現(xiàn)非線性關(guān)系。當(dāng)有光線照射到鹵化銀上時(shí)，鹵化銀轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏你y，經(jīng)過(guò)顯影工藝后固定于片基，成為黑白膠片。彩色膠片則是涂抹了三層鹵化銀來(lái)表現(xiàn)三原色。

數(shù)字圖像成像

利用圖像傳感器（CCD、CMOS）把接收到的光信號(hào)通過(guò)傳感器上的光敏單元離散成正比于曝光量的成千上萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，并轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換處理后變成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)微處理器的非線性運(yùn)算轉(zhuǎn)換成圖像的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式。例如BMP、JPEG、TIFF等存儲(chǔ)在物理介質(zhì)上。

動(dòng)態(tài)范圍的定義

動(dòng)態(tài)范圍定義為最大可測(cè)光強(qiáng)與最小可測(cè)光強(qiáng)的比值，還可以定義為像素阱容量飽和時(shí)與無(wú)光照條件下的像素噪聲電子數(shù)的比值，單位用分貝（dB）表示，表達(dá)式為：

自然場(chǎng)景中從無(wú)月的暗夜到太陽(yáng)直射的動(dòng)態(tài)范圍約為180dB，而普通的圖像傳感器由于勢(shì)阱容量的限制，動(dòng)態(tài)范圍通常在70dB左右。

真實(shí)世界中同一場(chǎng)景中動(dòng)態(tài)范圍變化很大，我們稱之為高動(dòng)態(tài)范圍（High Dynamic Range），相對(duì)的普通圖片上的動(dòng)態(tài)范圍為低動(dòng)態(tài)范圍（Low Dynamic Range）。

相機(jī)的成像過(guò)程實(shí)際上就是真實(shí)世界的高動(dòng)態(tài)范圍到相片的低動(dòng)態(tài)范圍的映射（非線性），例如：

動(dòng)態(tài)范圍的影響因素

阱容量

普通圖像傳感器由于感光元件阱容量有限，存儲(chǔ)光電荷的能力也有限，當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)一定程度時(shí)，存儲(chǔ)的電荷達(dá)到飽和將無(wú)法再接收。一旦這些像素滿載，光子便會(huì)溢出，溢出就會(huì)導(dǎo)致信息損失。

以紅色為例，高光溢出使?jié)M載紅色的像素附近的其它像素的值都變成255，但其實(shí)它們的真實(shí)值并沒(méi)有達(dá)到255。換句話說(shuō)，畫(huà)面的細(xì)節(jié)發(fā)生了損失，這樣會(huì)造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時(shí)間來(lái)防止高光溢出，很多用來(lái)描述昏暗環(huán)境的像素則沒(méi)有足夠的時(shí)間接收光子量，得出的像素值為0，這樣就會(huì)導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。

圖像位深

目前普通的輸出/顯示設(shè)備受軟硬件的限制，使得數(shù)字圖像處理部分大多是基于8bit來(lái)進(jìn)行的，只能表示出256個(gè)灰度等級(jí)，導(dǎo)致圖像的亮度等級(jí)與真實(shí)場(chǎng)景的亮度等級(jí)相差較大。

因此，傳統(tǒng)的圖像傳感器無(wú)論接收的圖像有多大的亮度差，只要它被數(shù)字化為8位圖像，那么這幅圖像就只有256灰度級(jí)。若圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍不同，它們提供的256級(jí)灰度反映的實(shí)際亮度差是不同的，即動(dòng)態(tài)范圍越大，就越能顯示自然界的亮度變化。

提高動(dòng)態(tài)范圍的方法

阱容量調(diào)節(jié)

提高像素滿阱容量或降低像素噪聲水平是直接提高圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的方法。然而現(xiàn)代像素的尺寸不斷縮小，對(duì)于一個(gè)給定的像素架構(gòu)，其具有固定的填充因子，因此，很難通過(guò)提高滿阱容量的方法來(lái)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。

位深調(diào)節(jié)

提高圖像位數(shù)是一個(gè)較為普遍的方法，能夠通過(guò)將一幅圖像的灰度級(jí)提高來(lái)體現(xiàn)更多的層次和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)數(shù)響應(yīng)技術(shù)

通過(guò)改變像素的信號(hào)輸出曲線來(lái)推遲像素達(dá)到飽和時(shí)所需要的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)增大像素電荷容量、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的目的。

多重曝光技術(shù)

在不改進(jìn)像素光電二極管的前提下，傳統(tǒng)低動(dòng)態(tài)范圍的圖像傳感器可以通過(guò)合成多張曝光圖片來(lái)獲得高動(dòng)態(tài)范圍圖片。

來(lái)源：光虎工業(yè)鏡頭

審核編輯：湯梓紅