理解动态范围

3721

感谢@Escargot  在https://www.filmaker.cn/forum.php ... 275821&fromuid=2581的回帖，让我重新查阅资料理解了动态范围，查阅到这篇非常好的文章

原文地址http://blog.sina.com.cn/s/blog_713dd87d0100nt1j.html

从上图可以看出，自然界光强的变化范围非常大，从直射的日光到星光的变化在8个数量级，即一亿倍，相当于26.6个曝光档。用摄影的语言，我们说自然界光强的动态范围是8个数量级，或者说27EV。由于自然界中物体的反射过程非常复杂，光线经过反射之后的动态范围实际上远远超出了27EV。

数码相机的感光元件由一个个面积有限大小的像素组成。直观地说，曝光的过程就是往一个个像素上存储光子的过程。每个像素存储光子的能力都有个上限，超过了这个上限，光子就会溢出，多余的光子不会被记录下来，就好像盛水的容器都有一定的容量一样。因为噪声的存在（热噪声和统计噪声），像素记录光信号的强度也有个下限。像素能记录的光强（和光子数成正比）的上限和下限之比，构成了数码相机影像传感器的动态范围。像素的面积越大，存储光子的就容量越大，抗噪声的能力也越大，因此其记录影像的动态范围也就越大。

因此，大致来说，数码相机的动态范围就是它所能记录的最大光强（当像素饱和时）和所能记录的最小光强（决定于传感器的噪声）之比。动态范围一般用曝光值的档数来表示。如果最大和最小光强的比值是1024:1，动态范围就是10EV（即10档光圈；因为1024等于2的10次方）。

因为相机能记录的最小光强和影像传感器的噪声有关，其动态范围也是ISO值的函数。ISO值越高，噪声越严重，动态范围也越低。一些数码相机，在ISO值的低端有扩展的低ISO值（比如尼康D700的物理ISO最低值是200，但扩展ISO可以到100）。这些扩展的低ISO值可以减少噪声，但同时也减少了动态范围（从而导致变低的影像对比度）。这是因为低扩展ISO的设置是这样的：让相机过曝一档以提高信噪比，之后再截断高光部分以使最后成像没有过曝。这样，记录的最大光强没有改变，最小光强增加了，所以动态范围减小了。

即使相机的传感器能够扑捉到很大的动态范围，实际有用的动态范围还跟相机把光信号转化成数字信号储存下来的能力有关。这个能力在数码技术上由A/D转换因子决定，这个转换因子称作位深（bit）。记录介质的位深越高，能记录下来的动态范围越大，参见下表：


注意，上表给出的只是理论上的动态范围，实际表现的动态范围取决于很多因素，比如最终影像在电脑显示屏上显示的动态范围和打印出的相片的动态范围都会和理论值有明显差别。

大部分单反数码相机的RAW文件可以记录10到14的位深，因此理论的动态范围是10－14EV。大部分数码相机实际可用的动态范围能是5－9EV。高端的数码单反相机，比如尼康D700，在基本ISO（200）可以轻易记录下9档以上的可用动态范围(http://www.bythom.com/nikond700review.htm)。

下图给出的是尼康D700和佳能5D Mark II的不同感光度下的动态范围（RAW文件输出）。随着ISO的提高，增加的噪点导致相机的动态范围迅速降低。





第一张图是在显示屏上的动态范围，第二张图是在打印机上的动态范围。如果要理解这些结果的精确含义，请参考这两个图的出处：http://www.dxomark.com/index.php ... or/Compare-sensors/(appareil1)/441|0/(appareil2)/483|0/(onglet)/0/(brand)/Nikon/(brand2)/Canon

JPEG文件记录的位深通常是8位（对应光强比是256:1；三个颜色通道位深总和是24位，记录 256x256x256 = 16.7百万种颜色），所以它可以记录的理论最大动态范围是8EV。下表是dpreview网站对尼康D700在用JPEG输出时的动态范围结果（http://www.dpreview.com/reviews/nikond700/page20.asp）：


传统负片胶卷的动态范围是7EV(通过特殊的冲印技术可以达到10EV甚至更高一点），正片胶卷的动态范围是5EV。人的眼睛的动态范围要比数码相机宽广得多。如果瞳孔大小保持不变，人眼可以识别10－14EV范围之内的光强（相当于对比度1000－20000:1)。如果瞳孔大小允许改变，人眼可以识别24EV范围之内的光强（相当于光强对比度20000000:1）。

不同类型的测试结果会有些出入，但一个显见的结果是现在高级的数码相机的动态范围已经超越了传统胶卷，特别是以RAW文件记录输出图像的时候（http://www.imaging-resource.com/PRODS/D700/D700IMATEST.HTM）。

参考文献：
http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/dynamic-range.htm
http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/photoshop-curves.htm
http://www.dxomark.com/index.php
David Prakel: Basics Photography: Exposure（有中译本）


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3721

参考文献里的内容更详实

浪漫沙佳

好文章，顶起～～

查理

好文章，好好学习

钻石剑

好文章
简明解释了常说的8bit 10bit 12bit 是啥意思

marvinhddvd

LOG伽玛曲线就是一种用有限的bit实现更大的动态范围的方法，比如佳能C系列的Canon-log，8bit素材可以达到12EV左右的动态范围（本底ISO），基本上是感光元件的最大动态范围了

3721

marvinhddvd 发表于 2012-9-25 21:09
LOG伽玛曲线就是一种用有限的bit实现更大的动态范围的方法，比如佳能C系列的Canon-log，8bit素材可以达到12 ...

恩 这篇文章的重点是 AD的位深限制了所能达到的最大动态范围

fly``

好文章！但是看了半天还是没有理解，A/D这个参数是如何演变过来的。

天马行空

好文章！有理有据，也有实际对比实验，一目了然。

完美的味道

好文章！！

C5sun

好文章，原来jpg只有8EV的动态范围，难怪看起来比RAW差那么多

3721

C5sun 发表于 2012-10-14 11:09
好文章，原来jpg只有8EV的动态范围，难怪看起来比RAW差那么多

现在有了Log以后，8bit文件也可以记录更高位bit的数据

C5sun

3721 发表于 2012-10-14 11:14
现在有了Log以后，8bit文件也可以记录更高位bit的数据

如何实现呢？

3721

C5sun 发表于 2012-10-14 11:22
如何实现呢？

log其实是一种数据阵列，把高bit数据都给映射低了

猪猪

很是有用啊

xingbo

有两个问题，想与楼主讨论一下。

1. 文中提到，“JPEG文件记录的位深通常是8位，对应光强比是256:1”。我们说，8比特量化对应的码值范围是0-255。但通常情况下，例如采用sRGB标准进行颜色的编码，照片的码值是经过伽马校正过的，与原始景物的光亮度并非是线性关系，因此0-255对应的原始景物的亮度之比是不一定的，取决于亮度范围的绝对值，但一定不是256:1。

2. 照片的量化位数，例如JPEG的8比特，与传感器的动态范围之间，究竟是否有直接关系？因为传感器的动态范围一直在进步，但是JPEG一直是8比特量化。

3721

xingbo 发表于 2012-12-6 04:15
有两个问题，想与楼主讨论一下。

1. 文中提到，“JPEG文件记录的位深通常是8位，对应光强比是256:1”。我 ...

是的，JPEG文件对应的光强比并非一定是256:1，因为机内的曲线处理和后期RAW在ACR的处理都会改变实际光强比来提升宽容度。

下表是dpreview网站对尼康D700在用JPEG输出时的动态范围结果（http://www.dpreview.com/reviews/nikond700/page20.asp）

文中提到的链接里面其实对各种曲线和ACR都有测试

这里为了方便对比不同ISO下的宽容度，使用单一的实验变量
所以使用的是相机的默认设置，排除掉了机内曲线变化因素。

3721

3721 发表于 2012-12-6 08:36
是的，JPEG文件对应的光强比并非一定是256:1，因为机内的曲线处理和后期RAW在ACR的处理都会改变实际光强比 ...

使用普通的风格拍jpg的话 大概就是在8档左右

用ACR后期处理RAW可以达到约12档

哈子

好文章，顶起～～