数字相机动态范围

秋水伊人

    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l亮处密度值(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。但是要注意，动态范围与色调范围（tonal range）是不同的概念。

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。
    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。
    因为数字图像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
    光学动态范围主要是由CCD/CMOS等感应器决定的，输出动态范围主要由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。