如何评价摄像机的测量动态范围

frankyao

动态范围是静态图像或视频帧中最亮色调与最暗色调的比值，而色调能呈现出图像或帧中的精准细节。作为两种色调的比值，动态范围的单位可以是分贝、比特、档，或者简单以比率或倍数来表示。表 1 提供了各种单位之间的换算方法。

表1,各种单位之间的换算方法
不同类型图像传感器的工作原理
人眼
表 1 仅列出了 20 档动态范围，因为这几乎涵盖了人眼所能分辨的所有动态范围，超过这些档位的动态范围已没有太大实际意义。人眼之所以能分辨出跨度如此之广的动态范围，是因为人在观察实景时，瞳孔、虹膜、视网膜和相关肌肉会相互作用、动态调整，同时，大脑会将所有“曝光元素”整合为一幅连贯的图像，极其精准地反映出实景中十分明亮或十分暗淡的色调。
标准单次曝光图像传感器
与人眼相比，照相机传感器的工作原理完全不同。每个像素都以一个感光单元来表示。对于标准 CCD 和 CMOS APS 传感器来说，所有感光单元的曝光（收集光子）时间都是相同的。感光单元对景物明亮部分收集的光子较多，对阴暗部分收集的光子则较少。但是，感光单元能够收集的光子数量却受到阱容量 (well capacity)的限制，所以捕捉物体较亮色调的感光单元有可能会溢出或饱和。为防止出现这种情况，可以减少曝光时间。但如果这样做，捕捉物体较暗色调的感光单元可能又无法收集到足够多的光子。因此，对于典型的单次曝光照相机传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比 (SNR)。
两次曝光传感器
为了弥补标准 CCD 和 CMOS APS 传感器有限动态范围的不足，一些生产厂商采用了让相机两次曝光，并对曝光结果加以整合的方法。这种方法的原理是，先让相机进行一次时间较短的曝光，重置像素后，再进行一次时间较长的曝光。然后，用两次曝光得出的像素数据计算出图像中所有像素的色调信息。这样做虽然增大了图像中最亮色调与最暗色调的比值，但却大大牺牲了中间色调的成像效果。实际上，这种方法产生的像素只是图像处理器凭借两次曝光信息“猜测”出的最佳值。
传感器在第二次曝光时需要将第一次曝光得到的数据保存起来，因此，与单次曝光相比，该解决方案需要双倍的内存。为消除这种额外的内存开销，采用两次曝光技术的很多产品不得不将垂直分辨率减少为一半。可见，这种解决方案虽然提升了动态范围，却牺牲了图像的真实分辨率和色彩精确度。这就是为什么两次曝光的图像总是看起来很苍白，好像褪了色一样。
Pixim 的 Digital Pixel System技术
在 Pixim 的 Digital Pixel System技术中，每个像素实际上都是一部独立的照相机，可独自控制各自的曝光过程。这样，捕捉物体较亮色调的像素就会在达到饱和之前停止收集光子，而捕捉较暗色调的像素也可以根据需要不断地收集光子，直到它们的信噪比足以准确呈现这些色调为止。同时，中间色调的显示效果也会得到保障，因为对它们进行捕捉的像素也会根据需要精确控制曝光时间，再也不必使用多次曝光得出的数据进行数学“猜测”。
测量动态范围
确定摄像机成像器的动态范围的方法主要有两种。一种是使用传感器和图像处理器中基本电路的相关信息计算得出，另一种是使用灰阶测试卡和实验仪器来收集和观察图像，并测量影像级别。尽管采用计算的方法可在理论上算出动态范围的极限值，但通常人们还是倾向于使用测量的方法，这是因为后者更能反映最终用户对摄像机成像效果的实际体验。
JEITA 方法
到目前为止，业界还没有公认的测量动态范围的标准方法，因此生产厂商最多也只能做到在提供测量结果的同时随附测量方法和设备配置的说明文档。日本电子资讯技术产业协会 (JEITA) 在 TTR-4602B“闭路电视设备规格规定”中加入了被称为“动态范围扩展比率”测量方法的章节。该文档仅来源于日本 JEITA，因此以下说明均基于从日文到英文的翻译。
是否能够准确确定动态范围，一个重要的限制因素是灰阶测试卡是否能够有效测出动态范围的全部取值。比如图 1 所示的 Kodak Q-14 测试卡，相邻灰阶格的刻度差是 1/3 光圈级数 (f-stop) ，最多只能测量出 5.66 档或大约 34 分贝的动态范围。

图1,Kodak Q-14 灰阶测试卡
使用 JEITA 方法测量动态范围和动态范围扩展比率时，灰阶测试卡的 gamma值指定为 2.2，总共有十个灰阶级别，能够测出的动态范围与 Q-14 灰阶测试卡基本相同。按照这种方法的规格说明书所述，将两张灰阶测试卡并排放置，二者中间以屏幕相隔。再用两台不同的照明光源分别照射屏幕两侧的测试卡（如图 2）。

图2，JEITA 动态范围扩展比率测量装置
JEITA 方法中规定，对测试卡较亮的一端不断增加照明强度或增大光圈，直到刚好可以区分出最亮的两个灰阶级别，然后对测试卡较暗的一端不断减小照明强度直到最亮的灰阶级别（白色）达到 50 IRE。规格说明书随后提供了以下公式以计算动态范围扩展比率，单位为分贝。
动态范围扩展比率 (dB) = 20 log (L3 / L4)
这种方法虽然算出了动态范围扩展值，但它完全忽略了成像器捕捉中间色调的能力。JEITA 方法并没有克服两次曝光 CCD 传感器的主要缺陷，因为该方法只关注于对较高和较低色调范围以内的不同灰阶值的区分。
此外，JEITA 方法还有其它缺陷。所有的测试装置都没有明确指定，这就会给测量结果带来很大变数。JEITA 方法并没有指明怎样放置照明设备，使用何种类型的光线，甚至没有说明如何准确衡量照明强度。这就意味着，一旦实验装置发生改变，就难以获得一致的实验结果，哪怕是使用相同的实验装置。如果使用这种方法测量一台指定摄像机，实验装置和测量条件的变化都会影响最终的测量结果。比如，一台摄像机在某种实验装置下测得的动态范围是 17 分贝，在另一种实验装置下测量可能就会变为 46 分贝，数据十分不可靠。
还有一点需要注意，JEITA 方法测量的是动态范围扩展值，而不是总体的测量范围。该方法并未指明如何确定基准动态范围或总体动态范围。摄像机的规格说明书中如果包含了使用 JEITA 方法测得的范围参数就会令人感觉模糊，人们无从知道这些说明书是意在提供总体的动态范围规格，还是只提供动态范围扩展值。
Pixim 的动态范围测量方法
为了消除这种概念的模糊性，让测量实验具有可重复性，使得在测量过程中可以对所有色调级别同时进行观察和比较，Pixim 使用一套定制的仪器装置来测量动态范围。该套装置包含一个灯箱，它使用 700 瓦的白炽灯光对透光步进卡进行背光投射。测量使用的步进式光楔均由 Sine Patterns LLC 公司生产，两个光楔重叠在一起最高可测量ND 值为 0.1 到 6.1 或大约 120 分贝的密度范围。
要在计算机监视器上或在打印文档中准确显示很宽的动态场景并不容易，但图 3 显示出 Pixim Digital Pixel System 技术良好地捕捉到超宽动态图像，同时呈现了单调灰阶和中间灰阶响应。

图3，使用 Pixim’s Digital Pixel System 技术拍摄的超宽动态范围场景
图4显示了使用两次曝光方法的 CCD 照相机拍摄的同一图片。请注意，尽管该相机自称具有很高的动态范围，我们还是可以从图片中场景高亮部分的晕光现象和中间色调的串色现象看出其明显的局限性。另外，就对中间色调的响应来说，该相机的响应过于平乏，与 Pixim 相机单调分明的响应相比，孰优孰劣自见分晓。

图4，两次曝光 CCD 传感器拍摄的同一图片
实际应用对比
使用监视摄像头的用户通常不会用设备来观察灰阶卡。他们会用摄像头来监视色彩和亮度级别范围均十分宽泛的实际场景。但毋庸置疑的是，影响图像传感器对灰阶响应的相同因素也会影响到传感器在实际场景中拍摄色彩细节的精准度。这一点可从下图的对比中得到印证。图 5 和图 6 很好地说明，使用两次曝光技术扩展动态范围的 CCD 摄像头在拍摄场景时，所摄画面的色彩精准度和图像质量都大打折扣。

图5，对照图片显示，采用两次曝光技术的 CCD 摄像

图6，对照图片显示了采用两次曝光技术的 CCD 摄像头在光线阴暗条件下的拍摄效果
结语
“宽动态范围”这一概念在监视摄像头业界被歪曲和误用了。某些厂商在产品展销会所做的产品演示，使不少人将宽动态范围 (WDR) 摄像头与摄像头能否在直接对准强光源的条件下拍出可视图像关联起来。不错，真正的 WDR 摄像头的确
要能在各种困难的光线条件下应对自如，但更要能完美地呈现出图像的所有色调范围，保证较高的色彩准确性和成像质量。CCD 和 CMOS APS 成像器算不上真正的WDR 成像器，它们必须采取折中的技术方案才能同时拍摄场景中高亮和阴暗区域的细节，而正是这种折中，牺牲了图像的整体质量，增加了图像伪影，降低了分辨率和/或遗漏了重要的色彩信息。

cqcrr

lz写的很好，文章中提到：

对于典型的单次曝光照相机传感器，其动态范围的上限受制于感光单元的阱容量，下限则受制于感光单元的信噪比 (SNR)。

那一般的CCD传感器的动态范围是多少dB呢？

cqcrr

敏通的网站写到：

问：为何Alpha系列摄像机比其它高出2.5倍动态范围？

答：传统摄像机通常具有3:1的綫动态范围。这是由于青红黄绿浸透的限制，具有成熟饱和前的450毫伏和最小信号等级在150毫伏以及48dB信噪比，因此只有3:1的动态范围（450毫伏:140毫伏=3:1）。敏通Alpha系列摄像机使用专有数字讯号处理器，特殊的CCD传感器，以及特殊的RGB马赛克转换系统来达到750毫伏的红色饱和度以及50毫伏来达到60dB信噪等级，因此Alpha系列摄像机具有7:1动态范围（750毫伏:100毫伏=7:1）。尽管在实验室中实际测量为60dB下为10:1，然而敏通宁愿保守地标称为在52dB下达到7:1动态范围，这已经比其它对手高出了2.5倍。（7:3=2.5）

这里7：1的动态换算成db也只有17dB。这是否就是常见的CCD的动态范围呢？

cqcrr

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