了解成像系统中的动态范围

在本系列的前面部分，我们介绍了图像传感器技术的基础知识（从光子到电子），这开启了我们对三种 CCD 图像传感器架构的讨论：全帧、行间传输和帧传输。然后我们回顾了CCD 图像传感器的基本结构和操作特性。

本讨论的下一步是了解 CCD 图像传感器的动态范围，这是从动态范围的定义开始的探索。幸运的是，我已经写了整篇文章专门讨论这个问题：什么是动态范围？在那篇文章中，我试图提供一个相当全面的解释，可以应用于各种工程系统。

如果我们将自己限制在光敏电子设备的背景下，我们可以将定义简化如下：动态范围表示传感器可以记录的光强度的变化。

但这个故事还有很多内容，在本文中，我想探讨动态范围的概念，因为它适用于数字成像系统。这样，我们将从更全面地理解这个问题开始，然后在下一篇文章中，我们可以检查半导体和电路设计级别的动态范围。

数字成像系统的动态范围

本系列重点关注 CCD 作为数码相机中的组件，而不是作为孤立的光检测设备，因此让我们仔细看看动态范围相对于整个成像系统的含义。

首先，我将正式介绍术语亮度。这几乎是“光强度”的同义词，但亮度特指由特定物体或区域反射、发射或源自特定物体或区域的光。相机对亮度做出响应，即对从视觉场景的给定部分到达传感器的光量做出响应。

我们可以将动态范围视为在结果图像中产生白色的亮度与在结果图像中产生黑色的亮度之间的比率。在数字系统中，白色对应于可能的 ADC 输出值，黑色对应于可能的 ADC 输出值。如果我们以常用的8位灰度范围为例，白色=255，黑色=0：

8 位灰度，范围从黑色（像素值为 0）到白色（像素值为 255）。

数字单色图像中的黑白与物理场景中的“黑”和“白”有很大不同，原因如下：

在视觉感知中，“黑”和“白”与颜色（或缺乏颜色）相关联，而基本光敏设备仅指示色调，即测量亮度的视觉表示。

在自然界中，真正的黑色是完全没有光：亮度为零，因为在任何地方都看不到单个光子。即使物体在物理现实中远非黑色，但它们在图像中可能会显示为黑色。

在图像中，白色表示亮度。在自然界中，亮度不断增加；宇宙中光的强度不受测量系统（胶片相机、CCD 相机、人眼等）的限制。

数字单色图像

一种数字单色图像，其中黑白不同于物理场景中的“黑”和“白”。

这里的底线是，物理世界经常呈现远远超出相机测量能力的亮度变化。动态范围告诉我们特定成像系统可以捕获多少变化，这反过来又有助于我们了解系统可以在多大程度上再现高对比度（即亮度变化较大）的场景。

动态范围的影响

假设您正在拍摄一个场景，其中包括一个阴影很深的壁橱和被阳光直射照亮的白色花边窗帘。在张图片中，衣柜看起来是黑色的——所有有趣的细节都丢失了。好吧，没问题，我们只是需要更长的曝光时间。您增加曝光并拍摄另一张照片。衣柜看起来不错，但现在窗帘完全是白色的 - 您已经丢失了图像不同部分的所有细节。

此练习传达了与图像传感器的动态范围相关的基本限制。场景的亮度与亮度之比超出了传感器的动态范围，因此，您无法保留“高光”（即明亮部分）和“阴影”（即黑暗部分）的细节。

高动态范围 (HDR) 成像

上面的例子提醒我们，图像传感器的有限动态范围并不妨碍相机充分捕捉单独图像中的高光和阴影。我们需要做的就是用不同的曝光时间拍摄多张图像。

因此，我们可以通过组合多个图像来扩展传感器的场景间（而不是场景内）动态范围，而这正是人们在创建高动态范围 (HDR) 图像时所做的事情。HDR 过程涉及对齐同一场景的多个图像，并创建一个合成图像，将较长曝光时间图像的阴影细节与较短曝光时间图像的高光细节结合起来。

我认为场景内动态范围只是动态范围，我更愿意将场景间动态范围指定为感知动态范围或类似的东西。通过使用光学滤镜、软件技巧等，场景间的动态范围几乎可以无限扩展；它并没有告诉我们太多关于系统中重要硬件的功能。

结论

动态范围是表征工程系统的基本手段，成像系统也不例外。在下一篇文章中，我们将讨论动态范围，因为它与 CCD 的结构和外部信号处理电路有关。