动态范围、宽容度及其他

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1、动态范围、宽容度及其他 本文一共涉及了这些名词：宽容度、密度、动态范围、色深、位数(bit数)。解释中还要用到 其他一些名词。 暴光量：暴光量： 摄影冲洗条件确定后， 得到的底片影象密度大小和被摄景物明暗有关系。 即乳剂层所受到的 照度大小决定于暴光时间长短。两者的乘积就是暴光量，公式如下： H=E*t E为乳剂层所受的照度，单位为勒克司（Lx)，每平方米面积上光通量为 1 流明时，照度值即 为 1 勒克司；t为暴光时间单位为秒，H为暴光量，单位为勒克司*秒（Lx*S) 密度：密度： 感光材料暴光后，可以得到金属银的影象，根据各个部分所受照度不同，导致各个部位变黑 的程度不同，如何定量的表示变

2、黑程度，需要引入密度的概念。 当光线照射一个透光体时，透过光量（F）和投射光的总量（Fo)的比值叫做透光率(T)，公 式如下： T=F/Fo, 透光率的倒数就是阻光率（O） ，即O=1/T=Fo/F 物体的透光率总是小于 1 的，因为没有完全透明的物体。而阻光率会很大，如透光率为 1% 那么阻光率为 100。为了方便作图，一般用阻光率的对数作为一个参量，即密度值（D） ， 公式为： D=lgO 可以看出密度每增加 0.3，阻光率和透光率以 1 倍的数量增加和减少。 用一句话来描述密度的概念就是“感光材料变黑的程度” 。密度数值近似地与产生银或染料 的数量成正比，也更符合人眼睛的响应近似为对数的

3、习惯。 以密度值为纵坐标，以暴光量为横坐标，可以获得下图所示的胶片感光曲线。 但更常用的是以密度值为纵坐标，以 10 为底的暴光量的对数为横坐标的关系曲线。这种曲 线成为H&D曲线。(Phtobug图） HD曲线显示了在任意给定时间和特定显影剂的情况下各种暴光度对乳剂的影响。H&D曲线 是研究感光材料特性的最重要的手段之一。 详细的关于H&D曲线的资料，可以参考本论坛Fotobug曾经写过一篇文章：解读胶片特性曲 线 宽容度：宽容度： 宽容度指的是H&D曲线上直线部分在横坐标上的投影范围， 即宽容度定义为感光材料在摄影 过程中按正比关系记录景物亮度反差的暴光量范围。这段投影范围没有包括趾部和肩

4、部部 分。 宽容度可以用差额来表示： L=lgH2-lgH1； 也可以用比值来表示： L=H1:H2 例如Kodak Tri-X胶片的宽容度为 9 档光圈， 那么因为每开大一档光圈， 通光量就增加了一倍。按比值表示就是： L=1：29=1：512 即Tri-X胶片可以记录最大亮度为最小亮度的 512 倍。 暴光宽容度（暴光宽容度（Exposure Latitude)： 暴光宽容度可以理解成胶片对错误暴光的容耐范围， 主要取决于被摄物体的亮度范围， 对于 高反差景物宽容度会低，而对于低反差景物反差会高一些。 普通物体的对数亮度范围都小于胶片的有用对数亮度范围， 暴光宽容度都较大。 但如果物体 的

5、对数亮度范围等于胶片的有用对数亮度范围，则没有宽容度，即只有一种暴光量。对于对 数亮度范围大于胶片有用对数暴光量范围的场景，无论如何暴光都会损失一些细节。 如果一个感光材料的宽容度为 7 档光圈，而被摄景物亮度只有 5 档的光圈范围，那么暴光 宽容度为 2 档。 宽容度和密度的区别宽容度和密度的区别 对于反转片来说，宽容度小于负片但密度大于负片，从H&D曲线上来看，反转片有着比较高 的斜率。可以理解成反转片的输入动态范围比较小，但输出动态范围比较大。在使用底扫或 使用投影的时候，反转片可以提供更大的输出动态范围。 动态范围：动态范围： 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

6、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）和最量处密度值(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

7、=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。 位数：位数： 位数是决定数字图象系统的一个重要指标,很多人容易把A/D的位数和色深的位数弄混。 对于 一个数字图象系统，如

8、扫描仪或DLSR，信息的存储最终是以数字的方式来进行的。所以该 系统中必定有一个模拟/数字转换器 （A/D Converter） 。 而A/D转换器的一个重要指标就是A/D 的位数。 对于 3 位 2 进制来说，可以表达的最大值是 2 的 3 次方即 8。8 位 2 进制可以表达的数值范 围是 0-255，16 位的范围是 0-65535 等等。那么什么是A/D转换器的动态范围呢？ 对于一个 8 位的A/D，它可以记录的最小信号是 1，最大信号是 255，那么它的动态范围就 是log(255/1)=2.4。这个值显然是不大的，甚至不如负片的动态范围。但是注意这里不要把 8 位的A/D和 8 位

9、的色深搞混了。在彩色系统里一共有 3 个通道，这里的 8 位是指的每个通 道的位数。对于彩色来讲就是 24 位，也就是我们常说的真彩色。 实际上对于 8 位的JPG文件来说，能表达的亮度信息也就是这么多。这就是数字和模拟系统 的不同之处。 但实际上为了保留更大的余量和采用更好的输出方法， 基本上各个厂商都采用 14bit甚至 16bit的A/D转换器。 对于数字系统，位数和动态范围的对应关系如下： 数字相机的动态范围：数字相机的动态范围： 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。

10、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。 因为数字相机也可以看作一个信号系统， 所以动态范围可以分为 2 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）= 饱和暴光量 / 噪声暴光量（暗电流） 数字相机的光学动态范围主要是由CCD/CMOS等感应器决定的。 其中饱和暴光量指的是CCD 达到势井的饱和容量时的暴光量， 即无论再怎样增加暴光也无法接受更多的电子了。 噪声暴 光量相当于在全黑环境时CCD仅仅有本身暗电流时的暴光量。可以看出这个概念和CCD Sensor动态范围定义是不同的，CCD的动态范围定义公式如下：

11、动态范围(db) = 20*log(全电荷容量/暗电流容量) CCD的动态范围定义的是的动态范围定义的是CCD（电荷转移器件）最大蓄积电荷和最小噪声电荷的倍数关系。 而数字相机的（光学）动态范围指的是其传感器达到这两种状态下对应的暴光量的倍数关 系。（电荷转移器件）最大蓄积电荷和最小噪声电荷的倍数关系。 而数字相机的（光学）动态范围指的是其传感器达到这两种状态下对应的暴光量的倍数关 系。 数字相机的输出最后仍然以数字量形式，所以输出动态范围主要由A/D位数决定。 根据目前看到的一些测试，DSLR的光学动态范围光学动态范围基本上和负片相近，超过反转片。 动态范围的扩展和压缩：动态范围的扩展和压缩： 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就是采用的两次暴光原理来将来张暴光时间不同的图象合成一幅，以此来提 高动态范围。详情另文再描述。