【前言】
 
图像传感器或相机系统的“动态”或“动态范围”，代表着它们测量和区分不同光强的能力，此特征参数与在单张图像中能获得的最大对比度有关。虽然规范的技术术语是“场景内动态范围”，但通常情况下，相机制造商在其技术数据表和市场营销材料中仅提及“动态”或“动态范围”。在摄影领域中，动态范围可类比于对比度范围。然而（在相机领域），许多相机制造商从不同的角度定义了动态范围，因此，我们在交流时必须在各种术语之间进行区分——例如“ sCMOS，CMOS或CCD图像传感器的动态范围”、“模数转换的动态范围”、“可用动态范围”和“最大动态范围或最大信噪比（SNR）”。
 
动态范围带给相机使用者的益处和其它相关性
 
可能有人会问，“相机的动态或动态范围大，会带来什么益处？” 简单的回答是：提供更多信息。许多显示器和电视屏幕都具有8位动态范围，它们是模仿了未经训练的人眼（只能区分约256个黑白色阶）。相比之下，受过训练的放射科医生可以看到更多，所以可能需要显示10位动态范围的屏幕。不过对于一般人来说，8位可能已经远远够用了（毕竟8到10位的智能手机相机就可展现看似高质量的彩色图片）。那么，我们为什么还需要更多的信息呢？
 
较高的场景内动态范围意味着可以检测和分辨出更多的光照水平。我们如何感知或者使用这个优势呢？让我们以图1中的4张图像为例。
 
四列图像是从同一张使用pco.edge 5.5彩色sCMOS相机拍摄的16位原始图像生成并选取的。原始图像被曝光处理并且夜间超市的明亮光线不会过度曝光，这可以从16到8位的全范围转换中看到。因此，完整的信息储存于原始数据中，但在此版本的图像中无法观察到。从左到右，转换范围由大到小，在图像的较暗区域中逐列显示了更多细节（因此，提供了更多信息）。最后，右列描绘了向下转换到低光照范围的过程，由于转换，出现了“曝光过度”的区域，但也可以分辨出之前隐藏在阴影中的微小细节。由于原始图像具有较高的动态范围，所以位深间的缩放成为一种观察更多信息的便捷工具。对于某些应用（例如高质量3D测量）来说，如果涉及非协同面（高反射）表面的测量，则必须适当缩放位深，以识别不同对比度中隐藏的信息。
 

图1：选取了同一张夜晚图像的四幅不同动态范围转换的图像，这张图片是使用彩色sCMOS相机系统于晚上在凯尔海姆一家超市的室外拍摄的。每张图像都展示了16位图像会被如何调整到印刷品或屏幕所需的8位图像，所有的8位版本都是根据同一份16位原始数据文件调整得到的。最左侧图像显示了全范围转换（值65536（16位最大值）→ 值256（8位最大值）和值0（16位）→ 值0（8位）），而最右侧图像则显示了低比例的转换（值1024（16位低值）→ 值256（8位最大值）和值0（16位）→ 值0（8位））。中间两幅图像显示了介于两者之间的不同转换比例。
 
让我们再看看另外一个例子。这张测量神经元中荧光钙指示剂的原始图像是使用pco.edge 5.5 sCMOS相机拍摄的。在这个例子中，最左侧的图像显示了在全范围转换时，图像没有完全曝光，从而导致图像很暗。第二张图片转换图像中的最大信号，一些结构可见了，但是几乎看不到神经元之间的连接。当转换比例降低时，在第三张图片中可以看到神经元连接了，但是神经元本身“曝光过度”。为了克服这一点，在第四张图片中采用了非线性转换，该转换方式让结构分析成为可能。
 

图2：同一张用pco.edge 5.5 sCMOS相机系统拍摄的神经元中钙指示剂的荧光图像的四个不同动态显示图像。如最左侧图片中所示，整张图像并未被全部照亮，图像显示了全范围的转换（值65536（16位最大值）→ 值256（8位最大值）和值0（16位）→ 值0（8位））。左数第二个图像则采用了另一种转换模式，该转换将图像中的最大信号（未达到16位最大值）调整到8位位深的最大信号值，这次可以看到荧光了，但是一些神经元连接处还是黑的。第三张图片的转换比例很低，现在可以很好地识别神经元之间的连接处了，但是一些区域也似乎曝光过度，因此也没有显示足够的结构信息。最后一张图像应用了非线性转换，从而可以在8位的屏幕或印刷品中展现绝大多数的结构信息。
 
在商业摄影的应用中，较高的动态范围允许用户以最合适的方式调整和导出8位的照片，只要相机具有足够大的动态范围，用户就可以同时看到阴影和光线下的结构。
 
计算数字图像传感器的动态范围
 
动态范围 (dyn_imsens) 被定义为最大可能信号（在大多数情况下，与定义像元可以生成和收集的最大电荷载流子数量的“满阱容量”相同或接近）与总读出噪声信号（在黑暗中）的比例。动态范围参数要么是无量纲的，以比率表示，要么以分贝 [dB] 表示：

表1：常见的图像传感器的动态范围

 
当用户可使用图像传感器的全动态范围时，任何额外（使图像更亮）的增益应用都不会为用户提供更多信息或好处。情况恰恰相反，增益会减少可用的动态范围，这是因为从一个亮度级到下一个亮度级的变化只会导致数字信号出现更大的阶跃，并导致图像数值在低得多的亮度级下饱和。因此，仅当数模转换器的动态范围小于图像传感器的动态范围时，额外的增益才有帮助。例如，IMX174 使用13位的数模转换，但图像传感器仅提供12位的输出。在这种情况下，增益允许用户以某种方式调整并定位数模范围，以使用最适合的光级范围。CMV4000 允许用户读出8、10或12位值，这会同时影响帧速率和数据量。显然， 10位动态的图像传感器的数据以12位读出，确实提供了更高的分辨噪声值，但并没有提供更多图像信息，因为图像的动态范围只有大约10位。
 
【关于埃赛力达科技Excelitas Technologies Corp.】
 
埃赛力达是一家技术经验丰富供应商，致力于提供先进的、改善生活的革新技术，为生命科学、先进工业、新一代半导体、航空航天等各终端市场的全世界企业提供服务。公司总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。埃赛力达是光子技术设计、开发和制造领域的重要合作伙伴，为全世界客户提供传感、检测、成像、光学和特种光源方面的前沿创新技术。
 
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【关于元奥仪器】
 
广州市元奥仪器有限公司从事引进欧美高端光电相关领域的仪器设备与提供系统集成的服务商。
 
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