什么是动态范围？

动态范围是用于描述给定时刻场景中最亮部分和场景中最暗部分之间差异的一个专业术语——换句话说，是单个图像中的对比度量。动态范围通常以位或 dB 为单位。例如，最亮点比场景最暗部分亮大约 1000 倍的场景，可以说具有大约 10 位的动态范围或约 60 dB。请注意，这种对对比度的瞬时测量不同于随时间变化的亮度，后者通常可以通过某种自动曝光功能来处理。

视野中没有闪亮物体或光源的均匀照明场景将被认为具有低动态范围。在这样的场景中，最亮部分通常比最暗部分亮不到 255 倍，因此可以在 8 位数字图像中准确地表示场景的所有部分。具有高达 12 位成像能力的相机在机器视觉领域相当普遍，能够以接近 72 dB (4096:1) 的动态范围捕捉场景。

数码相机如何处理动态范围？

与数字图像相关的像素值取决于曝光期间相机成像器上每个物理像素的光量（光子）。光子可以来自场景中物体反射的光（反射光），也可以直接来自相机视野内的光源（发射光）。

光子使像素阱充满一定数量的电子，然后将其测量为电压以确定分配给该像素的值。对于具有低对比度的场景，可以选择曝光时间，使得在曝光周期结束时没有一个像素阱是完全空的，并且没有一个像素阱是完全充满的。这使得图像中的每个像素都可以分配一个值，该值准确地表示其相对于图像中其他像素的亮度。

什么是高动态范围成像？

在具有高对比度（亮度/暗度）的场景中，可能很难或不可能找到最佳适应撞击物理像素的光子范围的曝光时间。一些从光源或场景中其他高反射区域接收光子的像素可能会在曝光期结束之前完全填满（“饱和”）。因此，所有这些像素都将被分配一个纯白色值，而不管它们彼此的相对亮度如何。减少曝光时间以避免这种情况可能会导致图像较暗部分中的像素不接收任何光子，因此无论它们的相对亮度如何，所有这些都将被分配为零（黑色）值。

高动态范围 (HDR) 成像是指以保持所有像素之间的相对亮度顺序的方式捕获此类高对比度场景的能力，其中很少或没有饱和像素或暗像素被分配为零值。

高动态范围场景示例

下面的四张图片提供了一个高动态范围场景的示例。请注意，每次曝光中的细节在不同的曝光中可能是不可见的（例如天空中的云，或建筑物立面柱子后面的阴影）。没有一个曝光可以捕捉到整个场景，而其中的重要部分要么是欠饱和（变黑），要么是过饱和（变白）。这表明场景的对比度超出了相机的动态范围。

注释：Kevin McCoy 摄影作品《圣路易斯拱门的EV-4.72》

版权登记信息：CC BY-SA 3.0/Commons https://commons.wikimedia.org

高动态范围成像方法

有许多不同的方法可以处理具有高动态范围的场景。三种最常见的方法是：

· 顺序图像融合

· 多斜率像素集成

· 双传感器图像融合

以上各种方法都将在后续部分详述。

线性与非线性高动态范围

在我们描述不同的高动态范围方法之前，了解捕获和呈现高动态范围数据的两种基本方式是有帮助的。

例如，在具有 14 位动态范围的场景中，场景中最暗的点将反射足够的光以保证像素值为 1，而最亮的区域将发出或反射足够的光以使值接近 16,384 (214) . 为了准确评估图像中每个像素的真实强度，相机必须能够输出这两个极端之间的任何像素值。

下图显示了记录在相机成像仪上的可能像素值与输出到主机 PC 的值之间的关系图。

注释：线性动态范围

这种完全“线性”的关系在需要场景中特定点的精确亮度值的应用中非常重要。天文学和其他科学应用通常需要这种精度。

然而，对于许多应用来说，精确的值是不必要的，甚至是不可取的。考虑一下标准计算机显示器的对比度为 1000:1 的事实。这相当于 10 位 (60 dB) 的动态范围。一流的显示器可能具有接近 2000:1 的对比度。即便如此，这也只是 11 位 (66 dB) 的动态范围。这意味着无法精确显示 14 位 HDR 图像。相反，通常使用一种称为“分段线性”压缩的技术。这种方法利用了一个事实，即给定 HDR 场景中的大多数像素都落在一个更窄的范围内。