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贡献者：ysjab 浏览：4021次 创建时间：2009-06-06
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[url]简介
扩展和压缩
解析
数字相机的动态范围
动态范围与成像技术 [/url]
简介
动态范围是指音响系统重放时最大不失真输出功率与静态时系统噪声输出功率之比的对数值，又指一个多媒体硬盘播放器输出图像的最亮和最暗部分之间的相对比值。 单位为分贝(dB)。一般性能较好的音响系统的动态范围在100(dB)以上。
扩展和压缩
在音频工程中，人们利用压缩/扩展器件来达到动态范围压缩或扩张的目的，而可以将120dB的CD唱片灌到65dB动态范围的磁带中而不削定或失真。主要原理是采用了可变增益放大器的原理。而如何提高成像系统的动态范围一直是研究者的目标，采用两幅图片叠加的方法来提高DSLR的动态范围，这种技巧很多人都已经了解。目前已经有采用WDR技术(Wide Dynamic Range)的芯片出现，而富士的S3 Pro相机据说采用的高动态范围有可能就是类似的技术。WDR就是采用的两次曝光原理来将两张曝光时间不同的图象合成一幅，以此来提高动态范围。
解析
动态范围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，比如在音频工程中，一个放大器的动态范围可以表示为：
D = log（Power_max / Power_min）×10；
对于一个底片扫描仪，动态范围是扫描仪能记录原稿的色调范围。即原稿最暗点的密度（Dmax）和最亮处密度值(Dmin)的差值。
我们已经知道对于一个胶片的密度公式为D = Log（Io/I）。 那么假设有一张胶片，扫描仪向其投射了1000单位的光，最后在共有96%的光通过胶片的明亮（银盐较薄）部分，而在胶片的较厚的部分只通过了大约4%的光。那么前者的密度为：
Dmin=log（1000/960）= 0.02；
后者的密度为：
Dmax=log（1000/40）= 1.40
那么我们说动态范围为：D=Dmax-Dmin=1.40-0.02=1.38。
只要是扫描仪的动态范围能够大于胶片的动态范围，就可以真实的表现原稿上的信息，包括真实的反映出一些细微的暗部细节。
实际上扫描仪和胶片不同，可以把扫描仪看作一个完整的信号系统，包含输入、DSP、输出多个部分。那么最后的动态范围大小由其中最小值的的单元来决定。这时就需要提位数概念。
数字相机的动态范围
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。
数码相机的动态范围越大，它能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富。请注意，动态范围与色调范围（tonal range）是不同的。
当我们采用JPEG格式拍摄照片时，数码相机的图像处理器会以明暗差别强烈的色调曲线记录图像信息。在这个过程中，处理器常常会省去一部分RAW数据上的暗部细节和亮部细节。而使用RAW格式拍摄，则能图像保持感光元件的动态范围，并且允许用户以一条合适的色调曲线压缩动态范围和色调范围，使照片输出到显示器或被打印出来后，获得适当的动态范围。
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。原因很简单：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。更多的像素不会很快被“填满”，因此表现昏暗环境的像素在表现光亮环境的像素“满载”之前，有更多时间吸收光子，从而画面细节便会更加丰富。
数字相机DSLR、DC等等的动态范围表示方法目前似乎并没有统一的约束，各个厂家也只是在他们的宣传内容上提到了“大的动态范围”之类的话，并未给出具体的指标。所以有时我们用比值来描述DSLR的动态范围，或者换算成光圈数，而较少用到密度值概念。
因为数字图象设备也可以看作一个信号系统，所以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。
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
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。
对于数字相机，因为其最终还是以数字量输出，所以输出动态范围公式并不适用。我们提到的动态范围主要指的是输入部分的动态范围，也就相当于胶片的宽容度。
根据目前看到的一些测试，DSLR的光学动态范围基本上和负片相近，超过反转片。
其通俗来说就是最大值与最小值的差.
动态范围与成像技术
在计算器图形学、电影、摄影和摄像技术中，高动态范围成像(High Dynamic Range Imaging)是用来实现比普通数字图像技术更大曝光动态范围（即更大的明暗差别）的一组技术。高动态范围成像的目的就是要正确地表示真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度。
高动态范围成像最初只用于纯粹由计算器生成的图像。后来，人们开发出了一些从不同曝光范围照片中生成高动态范围图像的方法。随着数字相机的日渐流行以及桌面软件变得易于使用，许多业余摄影师使用高动态范围成像的方法生成高动态范围场景的照片，但是，不要将这作为它唯一的用途，实际上高动态范围还有许多其它的应用。
当用于显示的时候，高动态范围图像经常要进行色调映像，并且要与其它几种全屏显示效果（full screen effect）一起使用。
开放分类
参考资料
http://baike.baidu.com/view/348755.htm?func=retitle
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