首先介紹，灰度的概念，然后借此來【解釋圖像中的動態(tài)范圍和對比度的關(guān)系】。 簡單的說，灰度是個絕對值，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【解釋圖像中的動態(tài)范圍和對比度的關(guān)系】。
簡單的說，灰度是個絕對值，8位色的灰度就是從黑（0）到白（255）共有256個等級。這256個等級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題了。
在顯示器上，黑就是顯示器完全不亮，這個簡單。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)有這樣一臺顯示器，它最亮?xí)r（就是輸入255時）能夠達到1000W燈泡那么亮（這也是它的最高亮度了），那么它的動態(tài)范圍就比最亮?xí)r只能達到500W燈泡亮度的顯示器要大。所以對顯示器來說，動態(tài)范圍就是它能達到的最高亮度與全黑的比值（當然在這個范圍內(nèi)的亮度變化應(yīng)該完全隨信號線性變化）。
【動態(tài)范圍】主要是用來衡量受光者（如相機里的感光器件）與發(fā)光者（如顯示器）的，并不用于已數(shù)字化的圖片。因為無論感光器件有多高級，動態(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級灰度。這也就是說，感光器件的質(zhì)量水平不同（就是動態(tài)范圍不同），它們提供的256級灰度反映的 “實際的亮度差“ 是不一樣的。從這一點而言，當然感光（發(fā)光）器件的動態(tài)范圍越大，就越能更真實的記錄（顯示）自然界的亮度變化。
【對比度】是一個相對值。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，如果這個比值沒有超過顯示這幅圖片的顯示器的動態(tài)范圍，那么我們看這幅圖時會說它有充分的層次。如果這幅圖片上最亮處與最黑處的比值超過了顯示這幅圖片的顯示器的動態(tài)范圍，那毫無疑問，偏亮的部分就已經(jīng)達到了顯示器的亮度極限，那更亮的部分也不會更亮，這部分的層次就會丟失。同理，圖片中較暗的地方顯示器已成全黑，那更暗的部分也無法顯示。
實際上，數(shù)字圖像處理中的對比度拉伸是當一幅圖像中的亮暗差較小時（例如只有50~150），我們比較均勻的擴展它的對比度，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。
傳感器的動態(tài)范圍
動態(tài)范圍表示圖像所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。動態(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：
動態(tài)范圍
照的動態(tài)范圍越大，它能同時記錄的暗部細節(jié)和亮部細節(jié)越豐富。請讀者注意，動態(tài)范圍與色調(diào)范圍（tonal range）是不同的。
圖像的動態(tài)范圍
當我們用JPEG格式拍攝照片時，照相機圖像處理器會以明暗差別強烈的色調(diào)曲線記錄圖像信息。在這個過程中，處理器常常會省去一部分RAW數(shù)據(jù)上的暗部細節(jié)和亮部細節(jié)。RAW格式使數(shù)碼圖像保持了傳感器的動態(tài)范圍，并且允許用戶以一條合適的色調(diào)曲線壓縮動態(tài)范圍和色調(diào)范圍，使照片輸出到顯示器或被打印出來后，獲得適當?shù)膭討B(tài)范圍，適合觀看。在色調(diào)范圍的專題中，我們介紹了一個極端的例子。從這個例子可以看到在32位浮點圖像中，較大的動態(tài)范圍和色調(diào)范圍是如何被壓縮的。
像素素大小和動態(tài)范圍
看到這個地方，相信讀者都應(yīng)該清楚：數(shù)碼相機的傳感器是由數(shù)以百萬個象素組成的，這些象素在傳感器曝光的過程中吸收光子，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后成像。這個過程就像我們拿數(shù)百萬個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（詳細請看前面的AD轉(zhuǎn)換器）。沒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個象素，這些象素能在傳感器曝光過程中迅速吸收光子。
一旦這些象素滿載，光子便會溢出。溢出會導(dǎo)致信息（細節(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，但其實它們的真實值并沒有達到255。換句話說，畫面的細節(jié)發(fā)生了損失。在柱狀圖部分我們已經(jīng)提到，這樣會造成高光部分的信息缺失。另一方面，如果我們減少曝光時間來防止高光溢出，很多用來描述昏暗環(huán)境的象素沒有足夠的時間接收光子量，得出的象素值為0，這樣反而會導(dǎo)致昏暗部分的信息缺失。
通過上面的說明，我們現(xiàn)在可以了解為什么數(shù)碼單反會擁有更大的動態(tài)范圍。原因很簡單：數(shù)碼單反的象素比較大。大的象素不會太快被“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，有更多時間吸收光子，畫面細節(jié)便會更加豐富。
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