在本系列的前面部分，我們介紹了圖像傳感器技術的基礎知識（從光子到電子），這開啟了我們對三種 CCD 圖像傳感器架構的討論：全幀、行間傳輸和幀傳輸。然后我們回顧了CCD 圖像傳感器的基本結構和操作特性。

　　本討論的下一步是了解 CCD 圖像傳感器的動態范圍，這是從動態范圍的定義開始的探索。幸運的是，我已經寫了整篇文章專門討論這個問題：什么是動態范圍？在那篇文章中，我試圖提供一個相當全面的解釋，可以應用于各種工程系統。

　　如果我們將自己限制在光敏電子設備的背景下，我們可以將定義簡化如下：動態范圍表示傳感器可以記錄的光強度的變化。

　　但這個故事還有很多內容，在本文中，我想探討動態范圍的概念，因為它適用于數字成像系統。這樣，我們將從更全面地理解這個問題開始，然后在下一篇文章中，我們可以檢查半導體和電路設計級別的動態范圍。

　　數字成像系統的動態范圍

　　本系列重點關注 CCD 作為數碼相機中的組件，而不是作為孤立的光檢測設備，因此讓我們仔細看看動態范圍相對于整個成像系統的含義。

　　首先，我將正式介紹術語亮度。這幾乎是“光強度”的同義詞，但亮度特指由特定物體或區域反射、發射或源自特定物體或區域的光。相機對亮度做出響應，即對從視覺場景的給定部分到達傳感器的光量做出響應。

　　我們可以將動態范圍視為在結果圖像中產生白色的亮度與在結果圖像中產生黑色的亮度之間的比率。在數字系統中，白色對應于可能的 ADC 輸出值，黑色對應于可能的 ADC 輸出值。如果我們以常用的8位灰度范圍為例，白色=255，黑色=0：

　　8 位灰度，范圍從黑色（像素值為 0）到白色（像素值為 255）。

　　8 位灰度，范圍從黑色（像素值為 0）到白色（像素值為 255）。

　　數字單色圖像中的黑白與物理場景中的“黑”和“白”有很大不同，原因如下：

　　在視覺感知中，“黑”和“白”與顏色（或缺乏顏色）相關聯，而基本光敏設備僅指示色調，即測量亮度的視覺表示。

　　在自然界中，真正的黑色是完全沒有光：亮度為零，因為在任何地方都看不到單個光子。即使物體在物理現實中遠非黑色，但它們在圖像中可能會顯示為黑色。

　　在圖像中，白色表示亮度。在自然界中，亮度不斷增加；宇宙中光的強度不受測量系統（膠片相機、CCD 相機、人眼等）的限制。

　　數字單色圖像

　　一種數字單色圖像，其中黑白不同于物理場景中的“黑”和“白”。

　　這里的底線是，物理世界經常呈現遠遠超出相機測量能力的亮度變化。動態范圍告訴我們特定成像系統可以捕獲多少變化，這反過來又有助于我們了解系統可以在多大程度上再現高對比度（即亮度變化較大）的場景。

　　動態范圍的影響

　　假設您正在拍攝一個場景，其中包括一個陰影很深的壁櫥和被陽光直射照亮的白色花邊窗簾。在張圖片中，衣柜看起來是黑色的——所有有趣的細節都丟失了。好吧，沒問題，我們只是需要更長的曝光時間。您增加曝光并拍攝另一張照片。衣柜看起來不錯，但現在窗簾完全是白色的 - 您已經丟失了圖像不同部分的所有細節。

　　此練習傳達了與圖像傳感器的動態范圍相關的基本限制。場景的亮度與亮度之比超出了傳感器的動態范圍，因此，您無法保留“高光”（即明亮部分）和“陰影”（即黑暗部分）的細節。

　　高動態范圍 （HDR） 成像

　　上面的例子提醒我們，圖像傳感器的有限動態范圍并不妨礙相機充分捕捉單獨圖像中的高光和陰影。我們需要做的就是用不同的曝光時間拍攝多張圖像。

　　因此，我們可以通過組合多個圖像來擴展傳感器的場景間（而不是場景內）動態范圍，而這正是人們在創建高動態范圍 （HDR） 圖像時所做的事情。HDR 過程涉及對齊同一場景的多個圖像，并創建一個合成圖像，將較長曝光時間圖像的陰影細節與較短曝光時間圖像的高光細節結合起來。

　　我認為場景內動態范圍只是動態范圍，我更愿意將場景間動態范圍指定為感知動態范圍或類似的東西。通過使用光學濾鏡、軟件技巧等，場景間的動態范圍幾乎可以無限擴展；它并沒有告訴我們太多關于系統中重要硬件的功能。

　　結論

　　動態范圍是表征工程系統的基本手段，成像系統也不例外。在下一篇文章中，我們將討論動態范圍，因為它與 CCD 的結構和外部信號處理電路有關。