圖像傳感器的動態范圍

什么是動態范圍？

動態范圍（Dynamic Range）是圖像傳感器重要的參數之一，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度分布范圍，也就是決定了所拍攝出來的圖像的細節、層次、特征。

傳統膠片成像

基于光化學理論，在相機拍攝時，光線通過相機鏡頭達到膠片的感光晶體鹵化銀上，引起膠片的光學密度發生變化，曝光量越大，光學密度越小，呈現非線性關系。當有光線照射到鹵化銀上時，鹵化銀轉變為黑色的銀，經過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表現三原色。

數字圖像成像

利用圖像傳感器（CCD、CMOS）把接收到的光信號通過傳感器上的光敏單元離散成正比于曝光量的成千上萬個像素點，并轉換成模擬電壓信號，再經過A/D轉換處理后變成數字信號，最后經過微處理器的非線性運算轉換成圖像的標準存儲格式。例如BMP、JPEG、TIFF等存儲在物理介質上。

動態范圍的定義

動態范圍定義為最大可測光強與最小可測光強的比值，還可以定義為像素阱容量飽和時與無光照條件下的像素噪聲電子數的比值，單位用分貝（dB）表示，表達式為：

自然場景中從無月的暗夜到太陽直射的動態范圍約為180dB，而普通的圖像傳感器由于勢阱容量的限制，動態范圍通常在70dB左右。

真實世界中同一場景中動態范圍變化很大，我們稱之為高動態范圍（High Dynamic Range），相對的普通圖片上的動態范圍為低動態范圍（Low Dynamic Range）。

相機的成像過程實際上就是真實世界的高動態范圍到相片的低動態范圍的映射（非線性），例如：

動態范圍的影響因素

阱容量

普通圖像傳感器由于感光元件阱容量有限，存儲光電荷的能力也有限，當光照強度超過一定程度時，存儲的電荷達到飽和將無法再接收。一旦這些像素滿載，光子便會溢出，溢出就會導致信息損失。

以紅色為例，高光溢出使滿載紅色的像素附近的其它像素的值都變成255，但其實它們的真實值并沒有達到255。換句話說，畫面的細節發生了損失，這樣會造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時間來防止高光溢出，很多用來描述昏暗環境的像素則沒有足夠的時間接收光子量，得出的像素值為0，這樣就會導致昏暗部分的信息缺失。

圖像位深

目前普通的輸出/顯示設備受軟硬件的限制，使得數字圖像處理部分大多是基于8bit來進行的，只能表示出256個灰度等級，導致圖像的亮度等級與真實場景的亮度等級相差較大。

因此，傳統的圖像傳感器無論接收的圖像有多大的亮度差，只要它被數字化為8位圖像，那么這幅圖像就只有256灰度級。若圖像傳感器的動態范圍不同，它們提供的256級灰度反映的實際亮度差是不同的，即動態范圍越大，就越能顯示自然界的亮度變化。

提高動態范圍的方法

阱容量調節

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態范圍的方法。然而現代像素的尺寸不斷縮小，對于一個給定的像素架構，其具有固定的填充因子，因此，很難通過提高滿阱容量的方法來擴展動態范圍。

位深調節

提高圖像位數是一個較為普遍的方法，能夠通過將一幅圖像的灰度級提高來體現更多的層次和更寬的動態范圍。

對數響應技術

通過改變像素的信號輸出曲線來推遲像素達到飽和時所需要的時間，從而實現增大像素電荷容量、擴展動態范圍的目的。

多重曝光技術

在不改進像素光電二極管的前提下，傳統低動態范圍的圖像傳感器可以通過合成多張曝光圖片來獲得高動態范圍圖片。

審核編輯：黃飛

?