数码相机的动态范围
数码相机的动态范围 ——By TimK 数码相机的动态范围有多大？跟胶片相比结果如何？如果我们上网查询，可能会得到差别很大的、甚至相反的答案。要知道那些答案是可信的，我们先要搞清楚数码相机的动态范围跟哪些因素有关。 如果说胶片机的动态范围主要由胶片决定，数码相机的动态范围则和图像传感器、模数转换器和曲线调整都有关系。图像传感器和曲线调整下面再说，先说模数转换器：模数转换器是数码相机内部的一个部件，负责把图像传感器产生的模拟感光信号转化成数字信号以便处理器处理和数字存储介质存储。数码相机模数转换器的位数决定了该相机的最大可能动态范围，如１２比特的模数转换器只能产生４０９６个影调值（最亮到最暗比例为４０９６：１），则其最大动态范围为１２档光圈。新一代的数码单反如佳能1ds Mark III用14比特的模数转器，它们的动态范围为14档光圈。 图像传感器的动态范围取决于它的最大感光电荷储存能力和它的噪声。最大感光电荷储存能力同像素的面积有关，也同每一像素上用来感光的面积有关（比如CMOS图像传感器中每个像素只有30-50%的面积是用来感光的）。传感器的噪声的来源很多，完全可以另开一个话题，这里我们只要知道噪声决定了图像传感器的最低信号就够了。根据现在工业界的水平，图像传感器的动态范围为10-16档光圈，在研究论文上我则看到高达22档光圈的图像传感器。同模数转换器的动态范围相比较，我们可以看出12比特已逐渐不能满足要求，可以预测新的相机、起码是单反都会是14甚至16比特的。 考虑了图像传感器和模数转换器的动态范围后我们还不能说这就是数码相机的动态范围，其原因见下图。从图中的实线我们可以看出图像传感器的感光曲线同上一篇谈到的胶片的感光曲线完全不同：图像传感器的感光曲线没有胶片感光曲线的脚部和肩部的圆滑过渡，而是直接从没有反应到线性区，再从线性区突然过渡到没有反应的饱和区（请同 《动态范围、曝光范围和曝光宽容度》的描述和图比较），也就是说图像传感器的整个动态范围都是线性的。模数转换器并不改变这个线性特性，所以经过图像传感器和模数转换器的信号还是这个图形。 但如果我们用图像传感器和模数转换器输出的线性信号作为最后的图像，我们很可能得到一个反差很小、没有什么视觉冲击力的照片。因此数码相机通常还要对这个信号作曲线调整【注１】（就象我们后期的曲线调整一样）以增加反差。从上一篇 《动态范围、曝光范围和曝光宽容度》我们知道，最大和最小值一定时，反差和动态范围通常是两个相互矛盾的要求，这一增加反差的调整降低了动态范围。这一点也可以从下图的虚线看出来。 遗憾的是我们通常看到的数据是图像传感器的动态范围、或者根据模数转换器的比特数而计算出来的理论上的最大动态范围，而不是考虑了所有因素后的相机系统的动态范围，而前两者的动态范围一般要比相机系统的动态范围大。也有人拿前两者的动态范围跟胶片的动态范围比，泛泛地声称数码比胶片的动态范围大得多。 那么考虑了上述因素后，数码相机的动态范围有多大？可以有一个简单的方法测量出一个大概：拿一块１８％灰的灰卡（最好有明显的纹理的），根据测光表的读数曝光一遍，再增加一档、两档三档曝光各一次，最后减一档、两档、三档各曝光一次。传到计算机上看最低和最高到哪一档就看不到任何细节？最低到最高档就是该相机的动态范围。用这个方法测得我的３５０Ｄ的动态范围是５－６档光圈。结合网上的一些结果，可以说数码单反相机的动态范围一般比彩色反转片要大，但还不如黑白负片，其动态范围在５－９档之间（高档相机、大像素有更大的动态范围）。 【注１】实际上在曲线调整前还要对数据进行伽玛校正，否则图像很暗。这是另外一个话题，以后再介绍。 TimK 上传了这个图片:
[ 此帖由 TimK 最后编辑于: 2008-01-11 12:37 ]
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