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科学级相机的动态范围解析
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时间:2014-11-24 14:21:01

        科学级相机是机器视觉系统中的核心部件。而动态范围的广泛与否直接影响这科学级相机的图像的色彩质量。对于微弱、黑暗的检测环境来说,较大的动态范围是很有必要的。

        动态范围(Dynamic Range),最早是信号系统的概念,一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差。而在实际用途中,多用对数和比值来表示一个信号系统的动态范围,对于底片扫描仪来说,动态范围是指扫描仪能记录原稿的色调范围,即原稿最暗点的密度(Dmax)和最量处密度值(Dmin)的差值。而对于胶片和感光元件来说,动态范围表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大,所能表现的层次越丰富,所包含的色彩空间也越广。

        动态范围可以分为两个部分,即光学动态范围和输出动态范围。前者主要是由CCD/CMOS等感应器决定的,后者主要由A/D、DSP来决定。其中饱和曝光量相当于传统胶片的肩部范围,噪声曝光量相当于传统胶片的趾部范围。

        光学动态范围(DR_Optical) = 饱和曝光量/ 噪声曝光量(暗电流)

        输出动态范围(DR_Electrical) = 饱和输出振幅/ 随机噪声

        数码相机的感光元件是由数以百万个像素组成的,这些像素在像素曝光的过程中吸收光子,转化成数字信号,然后成像。这个过程就像我们拿数百万个水桶到户外收集雨水。感光区域越光亮,收集的光子量自然越多。感光元件曝光后,按照每个像素收集的光子量不同,赋予它们不连续的值,并转化为数字信号。没有吸收光子和吸收光子至满载的像素值分别显示为"0"和"255",即代表纯黑色和纯白色。

        一旦这些像素满载,光子便会溢出,溢出会导致信息(细节)损失。以红色为例,高光溢出使满载红色的像素附近的其它象素的值都变成255,但其实它们的真实值并没有达到255。换句话说,画面的细节发生了损失,这样会造成高光部分的信息缺失。如果我们以减少曝光时间来防止高光溢出,很多用来描述昏暗环境的像素则没有足够的时间接收光子量,得出的像素值为0,这样就会导致昏暗部分的信息缺失。

        通过上面的说明,我们现在就可以理解为什么采用大尺寸感光元件的数码单反会拥有更大的动态范围。数码单反的感光元件尺寸一般是消费级数码相机的4~10倍,允许承载更多的像素而不至于缩小像点之间的距离,而产生噪点。

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