在本系列的前面部分，我們介紹了圖像傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)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(gòu)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(jié)構(gòu)和操作特性。

本討論的下一步是了解 CCD 圖像傳感器的動態(tài)范圍，這是從動態(tài)范圍的定義開始的探索。幸運的是，我已經(jīng)寫了整篇文章專門討論這個問題：什么是動態(tài)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(yīng)用于各種工程系統(tǒng)。

如果我們將自己限制在光敏電子設(shè)備的背景下，我們可以將定義簡化如下：動態(tài)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(nèi)容，在本文中，我想探討動態(tài)范圍的概念，因為它適用于數(shù)字成像系統(tǒng)。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(dǎo)體和電路設(shè)計級別的動態(tài)范圍。

數(shù)字成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍

本系列重點關(guān)注 CCD 作為數(shù)碼相機中的組件，而不是作為孤立的光檢測設(shè)備，因此讓我們仔細看看動態(tài)范圍相對于整個成像系統(tǒng)的含義。

首先，我將正式介紹術(shù)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(qū)域反射、發(fā)射或源自特定物體或區(qū)域的光。相機對亮度做出響應(yīng)，即對從視覺場景的給定部分到達傳感器的光量做出響應(yīng)。

我們可以將動態(tài)范圍視為在結(jié)果圖像中產(chǎn)生白色的亮度與在結(jié)果圖像中產(chǎn)生黑色的亮度之間的比率。在數(shù)字系統(tǒng)中，白色對應(yīng)于可能的 ADC 輸出值，黑色對應(yīng)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(shù)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(guān)聯(lián)，而基本光敏設(shè)備僅指示色調(diào)，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(xiàn)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(tǒng)（膠片相機、CCD 相機、人眼等）的限制。

數(shù)字單色圖像

一種數(shù)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(jīng)常呈現(xiàn)遠遠超出相機測量能力的亮度變化。動態(tài)范圍告訴我們特定成像系統(tǒng)可以捕獲多少變化，這反過來又有助于我們了解系統(tǒng)可以在多大程度上再現(xiàn)高對比度（即亮度變化較大）的場景。

動態(tài)范圍的影響

假設(shè)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(jié)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(xiàn)在窗簾完全是白色的 - 您已經(jīng)丟失了圖像不同部分的所有細節(jié)。

此練習(xí)傳達了與圖像傳感器的動態(tài)范圍相關(guān)的基本限制。場景的亮度與亮度之比超出了傳感器的動態(tài)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(jié)。

高動態(tài)范圍 (HDR) 成像

上面的例子提醒我們，圖像傳感器的有限動態(tài)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(nèi)）動態(tài)范圍，而這正是人們在創(chuàng)建高動態(tài)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(chuàng)建一個合成圖像，將較長曝光時間圖像的陰影細節(jié)與較短曝光時間圖像的高光細節(jié)結(jié)合起來。

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

結(jié)論

動態(tài)范圍是表征工程系統(tǒng)的基本手段，成像系統(tǒng)也不例外。在下一篇文章中，我們將討論動態(tài)范圍，因為它與 CCD 的結(jié)構(gòu)和外部信號處理電路有關(guān)。