首先介紹，灰度的概念，然后借此來(lái)【解釋圖像中的動(dòng)態(tài)范圍和對(duì)比度的關(guān)系】。 簡(jiǎn)單的說(shuō)，灰度是個(gè)絕對(duì)值，8位色的灰度就是從黑（0）到...
首先介紹，灰度的概念，然后借此來(lái)【解釋圖像中的動(dòng)態(tài)范圍和對(duì)比度的關(guān)系】。
簡(jiǎn)單的說(shuō)，灰度是個(gè)絕對(duì)值，8位色的灰度就是從黑（0）到白（255）共有256個(gè)等級(jí)。這256個(gè)等級(jí)畫在白紙條上很好理解，一邊是涂黑的，一邊是紙的原白，但在顯示器上就有問(wèn)題了。
在顯示器上，黑就是顯示器完全不亮，這個(gè)簡(jiǎn)單。但白就不好定義了（究竟多亮算白？），這在不同的顯示器上（或者顯示器亮度調(diào)節(jié)的不同）有不同的結(jié)果。假設(shè)有這樣一臺(tái)顯示器，它最亮?xí)r（就是輸入255時(shí)）能夠達(dá)到1000W燈泡那么亮（這也是它的最高亮度了），那么它的動(dòng)態(tài)范圍就比最亮?xí)r只能達(dá)到500W燈泡亮度的顯示器要大。所以對(duì)顯示器來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)范圍就是它能達(dá)到的最高亮度與全黑的比值（當(dāng)然在這個(gè)范圍內(nèi)的亮度變化應(yīng)該完全隨信號(hào)線性變化）。
【動(dòng)態(tài)范圍】主要是用來(lái)衡量受光者（如相機(jī)里的感光器件）與發(fā)光者（如顯示器）的，并不用于已數(shù)字化的圖片。因?yàn)闊o(wú)論感光器件有多高級(jí)，動(dòng)態(tài)范圍有多大，即使它接收的圖像有足夠大的亮度差（例如藍(lán)天中的一片白云與近處巖石后面的陰影被攝入同一幅圖像），只要它被數(shù)字化為8位圖像，那么這幅圖像仍然只有256級(jí)灰度。這也就是說(shuō)，感光器件的質(zhì)量水平不同（就是動(dòng)態(tài)范圍不同），它們提供的256級(jí)灰度反映的 “實(shí)際的亮度差“ 是不一樣的。從這一點(diǎn)而言，當(dāng)然感光（發(fā)光）器件的動(dòng)態(tài)范圍越大，就越能更真實(shí)的記錄（顯示）自然界的亮度變化。
【對(duì)比度】是一個(gè)相對(duì)值。就一幅圖片而言，它反映了圖片上最亮處與最黑處的比值。假設(shè)這幅圖片上最亮與最黑之間的變化是均勻的，如果這個(gè)比值沒(méi)有超過(guò)顯示這幅圖片的顯示器的動(dòng)態(tài)范圍，那么我們看這幅圖時(shí)會(huì)說(shuō)它有充分的層次。如果這幅圖片上最亮處與最黑處的比值超過(guò)了顯示這幅圖片的顯示器的動(dòng)態(tài)范圍，那毫無(wú)疑問(wèn)，偏亮的部分就已經(jīng)達(dá)到了顯示器的亮度極限，那更亮的部分也不會(huì)更亮，這部分的層次就會(huì)丟失。同理，圖片中較暗的地方顯示器已成全黑，那更暗的部分也無(wú)法顯示。
實(shí)際上，數(shù)字圖像處理中的對(duì)比度拉伸是當(dāng)一幅圖像中的亮暗差較小時(shí)（例如只有50~150），我們比較均勻的擴(kuò)展它的對(duì)比度，將它的幅值拉伸到10~180或5~240。這樣，暗處顯得更黑，亮處顯得更亮些，由于是均勻拉伸，原本不易分辨的灰度差（中間灰度）也拉開了距離，顯得圖片更富有層次。
傳感器的動(dòng)態(tài)范圍
動(dòng)態(tài)范圍表示圖像所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大，所能表示的層次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。如下圖所示：
動(dòng)態(tài)范圍
照的動(dòng)態(tài)范圍越大，它能同時(shí)記錄的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越豐富。請(qǐng)讀者注意，動(dòng)態(tài)范圍與色調(diào)范圍（tonal range）是不同的。
圖像的動(dòng)態(tài)范圍
當(dāng)我們用JPEG格式拍攝照片時(shí)，照相機(jī)圖像處理器會(huì)以明暗差別強(qiáng)烈的色調(diào)曲線記錄圖像信息。在這個(gè)過(guò)程中，處理器常常會(huì)省去一部分RAW數(shù)據(jù)上的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)。RAW格式使數(shù)碼圖像保持了傳感器的動(dòng)態(tài)范圍，并且允許用戶以一條合適的色調(diào)曲線壓縮動(dòng)態(tài)范圍和色調(diào)范圍，使照片輸出到顯示器或被打印出來(lái)后，獲得適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍，適合觀看。在色調(diào)范圍的專題中，我們介紹了一個(gè)極端的例子。從這個(gè)例子可以看到在32位浮點(diǎn)圖像中，較大的動(dòng)態(tài)范圍和色調(diào)范圍是如何被壓縮的。
像素素大小和動(dòng)態(tài)范圍
看到這個(gè)地方，相信讀者都應(yīng)該清楚：數(shù)碼相機(jī)的傳感器是由數(shù)以百萬(wàn)個(gè)象素組成的，這些象素在傳感器曝光的過(guò)程中吸收光子，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后成像。這個(gè)過(guò)程就像我們拿數(shù)百萬(wàn)個(gè)水桶到戶外收集雨水。感光區(qū)域越光亮，收集的光子量自然越多。在傳感器曝光后，傳感器按照每個(gè)象素收集的光子量不同，賦予它們不連續(xù)的值，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)（詳細(xì)請(qǐng)看前面的AD轉(zhuǎn)換器）。沒(méi)有吸收光子和吸收光子至滿載的象素值分別為"0"和"255"，即代表純黑色和純白色。下圖的傳感器只有16個(gè)象素，這些象素能在傳感器曝光過(guò)程中迅速吸收光子。
一旦這些象素滿載，光子便會(huì)溢出。溢出會(huì)導(dǎo)致信息（細(xì)節(jié)）損失，以紅色為例，高光溢出使?jié)M載紅色的象素附近的其他象素的值都變成255，但其實(shí)它們的真實(shí)值并沒(méi)有達(dá)到255。換句話說(shuō)，畫面的細(xì)節(jié)發(fā)生了損失。在柱狀圖部分我們已經(jīng)提到，這樣會(huì)造成高光部分的信息缺失。另一方面，如果我們減少曝光時(shí)間來(lái)防止高光溢出，很多用來(lái)描述昏暗環(huán)境的象素沒(méi)有足夠的時(shí)間接收光子量，得出的象素值為0，這樣反而會(huì)導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。
通過(guò)上面的說(shuō)明，我們現(xiàn)在可以了解為什么數(shù)碼單反會(huì)擁有更大的動(dòng)態(tài)范圍。原因很簡(jiǎn)單：數(shù)碼單反的象素比較大。大的象素不會(huì)太快被“填滿”，因此描述昏暗環(huán)境的象素在描述光亮環(huán)境的象素“滿載”之前，有更多時(shí)間吸收光子，畫面細(xì)節(jié)便會(huì)更加豐富。
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