Question

关于动态范围的问题，求摄影大神指教！

请问“动态范围”是由什么决定的？有些人说是由感光元件大小决定的，比如一部全幅的单反相机，它就将比没有全幅的单反拥有更宽的动态范围。但是，据说一部“RED”电影摄像机的动态范围可达13级上下之广，可它的感光原件并非全幅（即使是“RED Epic”也只是达到30*15mm），而一台全幅单反据说却只有11、12级左右，这又将如何解释呢？

Answer 1

一、首先我们来厘清两个概念：数字相机的动态范围、图像传感器的动态范围，既有区别，又有关联。

1、数字相机可以看作一个信号系统，其动态范围可以分为2个部分：光学动态范围和输出动态范围。 光学动态范围= 饱和曝光量 / 噪声曝光量。

其中饱和曝光量指的是CCD达到势阱的饱和容量时的曝光量，即无论再怎样增加曝光也无法接受更多的电子了。噪声曝光量相当于在全黑环境时CCD仅仅有本身暗电流时的曝光量。

数字相机的输出最后仍然是数字量形式，所以输出动态范围主要由A/D（即模/数转换器）位数决定，位数越高，输出动态范围越高。

2、图像传感器（以CCD为例）动态范围定义：动态范围(db) = 20*log(全电荷容量/暗电流容量)，即最大蓄积电荷和最小噪声“电荷”的倍数关系。

3、我们可以看出两个概念的区别：一个是“曝光量”倍数关系，另一个是“电荷”倍数关系。

4、概念之间的关联：数字相机的（光学）动态范围指的是其图像传感器达到最大蓄积电荷和最小噪声电荷这两种状态下对应的曝光量的倍数关系。所以，数字相机的光学动态范围主要是由CCD/CMOS等图像传感器决定的。

5、那么“感光元件的面积”是不是动态范围的决定因素呢？

当我们追求高分辨率时，CCD的像素数增多，导致势阱可能存贮的最大电荷量减少，动态范围会变小。这就可以解释较大的感光元件具有动态范围优势了。可以这样回答您的第一个问题：感光元件面积是决定因素之一，仅仅是之一，不是唯一。

还有，数字相机拥有较大的感光元件，意味着“更高级”，那么其A/D位数更高，输出动态范围也更高，还可能应用了更多的高动态范围技术，因此总体表现当然好于较低级的数字相机。

 

二、还有什么因素影响数字相机的动态范围？

除了感光元件本身，最大的影响因素就是应用“高动态范围图像技术”，这其实是一个总称，范围涵盖了多种方法和技术，例如：

1、多次曝光图像序列。通过特定叠加算法，将RAW 图像恢复出了原始的高动态范围场景。

2、光束分离。采用了特定的光路，分光对应传感器，得到一组曝光量各不相同的图像，再通过特定算法获得高动态图像。

3、适应性灵敏图像传感器。这种传感器每个像素的灵敏度都是可以控制的(通过控制曝光时间)。

4、空域变曝光像素法。像素阵列中有四种不同敏感度的像素，像素敏感度在空间域变化的同时对动态范围进行了采样， 这样就可以利用邻近像素的信息估算出当前像素的实际值,，从而得到真实场景的高动态范围图像。

回答第二个问题。您提到的RED Epic 数字电影摄像机，MYSTERIUM-X传感器尺寸30mm×15mm，1400万像素，采用了名为“HDRx“的高动态范围图像技术，2个独立视频轨道采集图像后再合并，有点类似于多次曝光图像序列。由于RED Epic 像素密度不高、高动态范围图像技术应用，这两方面原因造就其动态范围超越全幅单反。

追问

十分专业，表示佩服！授鱼不如授渔，可以向您请教一两本您觉得靠谱的相关书籍，以让我深入学习这方面的知识吗？！