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動態範圍指的是一個多媒體硬碟播放器輸出圖像的最亮與最暗部分之間的相對比值。

1 動態範圍 -擴展和壓縮

  在音頻工程中,人們利用壓縮/擴展器件來達到動態範圍壓縮或擴張的目的,而可以將120dB的CD唱片灌到65dB動態範圍的磁帶中而不削定或失真。主要原理是採用了可變增益放大器的原理。而如何提高成像系統的動態範圍一直是研究者的目標,採用兩幅圖片疊加的方法來提高DSLR的動態範圍,這種技巧很多人都已經了解。目前已經有採用WDR技術(Wide Dynamic Range)的晶元出現,而富士的S3 Pro相機據說採用的高動態範圍有可能就是類似的技術。WDR就是採用的兩次曝光原理來將兩張曝光時間不同的圖象合成一幅,以此來提高動態範圍。

2 動態範圍 -解析

  動態範圍最早是信號系統的概念,一個信號系統的動態範圍被定義成最大不失真電平和雜訊電平的差。而在實際用途中,多用對數和比值來表示一個信號系統的動態範圍,比如在音頻工程中,一個放大器的動態範圍可以表示為:
  D = lg(Power_max / Power_min)×20;
  對於一個底片掃描儀,動態範圍是掃描儀能記錄原稿的色調範圍。即原稿最暗點的密度(Dmax)和最亮處密度值(Dmin)的差值。
  我們已經知道對於一個膠片的密度公式為D = lg(Io/I)。 那麼假設有一張膠片,掃描儀向其投射了1000單位的光,最後在共有96%的光通過膠片的明亮(銀鹽較薄)部分,而在膠片的較厚的部分只通過了大約4%的光。那麼前者的密度為:
  Dmin=lg(1000/960)= 0.02;
  後者的密度為:
  Dmax=lg(1000/40)= 1.40
  那麼我們說動態範圍為:D=Dmax-Dmin=1.40-0.02=1.38。
  只要是掃描儀的動態範圍能夠大於膠片的動態範圍,就可以真實的表現原稿上的信息,包括真實的反映出一些細微的暗部細節。
  實際上掃描儀和膠片不同,可以把掃描儀看作一個完整的信號系統,包含輸入、DSP、輸出多個部分。那麼最後的動態範圍大小由其中最小值的的單元來決定。這時就需要提位數概念。

3 動態範圍 -數字相機的動態範圍

  動態範圍(Dynamic Range),最早是信號系統的概念,一個信號系統的動態範圍被定義成最大不失真電平和雜訊電平的差。而在實際用途中,多用對數和比值來表示一個信號系統的動態範圍,對於底片掃描儀來說,動態範圍是指掃描儀能記錄原稿的色調範圍,即原稿最暗點的密度(Dmax)和最l亮處密度值(Dmin)的差值。而對於膠片和感光元件來說,動態範圍表示圖像中所包含的從「最暗」至「最亮」的範圍。動態範圍越大,所能表現的層次越豐富,所包含的色彩空間也越廣。
  數碼相機的動態範圍越大,它能同時記錄的暗部細節和亮部細節越豐富。請注意,動態範圍與色調範圍(tonal range)是不同的。
  當我們採用JPEG格式拍攝照片時,數碼相機的圖像處理器會以明暗差彆強烈的色調曲線記錄圖像信息。在這個過程中,處理器常常會省去一部分RAW數據上的暗部細節和亮部細節。而使用RAW格式拍攝,則能圖像保持感光元件的動態範圍,並且允許用戶以一條合適的色調曲線壓縮動態範圍和色調範圍,使照片輸出到顯示器或被列印出來后,獲得適當的動態範圍。
  數碼相機的感光元件是由數以百萬個像素組成的,這些像素在像素曝光的過程中吸收光子,轉化成數字信號,然後成像。這個過程就像我們拿數百萬個水桶到戶外收集雨水。感光區域越光亮,收集的光子量自然越多。感光元件曝光后,按照每個像素收集的光子量不同,賦予它們不連續的值,並轉化為數字信號。沒有吸收光子和吸收光子至滿載的像素值分別顯示為"0"和"255",即代表純黑色和純白色。
  一旦這些像素滿載,光子便會溢出,溢出會導致信息(細節)損失。以紅色為例,高光溢出使滿載紅色的像素附近的其它象素的值都變成255,但其實它們的真實值並沒有達到255。換句話說,畫面的細節發生了損失,這樣會造成高光部分的信息缺失。如果我們以減少曝光時間來防止高光溢出,很多用來描述昏暗環境的像素則沒有足夠的時間接收光子量,得出的像素值為0,這樣就會導致昏暗部分的信息缺失。
  通過上面的說明,我們現在就可以理解為什麼採用大尺寸感光元件的數碼單反會擁有更大的動態範圍。原因很簡單:數碼單反的感光元件尺寸一般是消費級數碼相機的4~10倍,允許承載更多的像素而不至於縮小像點之間的距離,而產生噪點。更多的像素不會很快被「填滿」,因此表現昏暗環境的像素在表現光亮環境的像素「滿載」之前,有更多時間吸收光子,從而畫面細節便會更加豐富。
  數字相機DSLR、DC等等的動態範圍表示方法目前似乎並沒有統一的約束,各個廠家也只是在他們的宣傳內容上提到了「大的動態範圍」之類的話,並未給出具體的指標。所以有時我們用比值來描述DSLR的動態範圍,或者換算成光圈數,而較少用到密度值概念。
  因為數字圖象設備也可以看作一個信號系統,所以動態範圍可以分為兩個部分,即光學動態範圍和輸出動態範圍。
  光學動態範圍(DR_Optical) = 飽和曝光量 / 雜訊曝光量(暗電流)
  輸出動態範圍(DR_Electrical) = 飽和輸出振幅 / 隨機雜訊
  前者主要是由CCD/CMOS等感應器決定的,後者主要由A/D、DSP來決定。其中飽和曝光量相當於傳統膠片的肩部範圍,雜訊曝光量相當於傳統膠片的趾部範圍。
  對於數字相機,因為其最終還是以數字量輸出,所以輸出動態範圍公式並不適用。我們提到的動態範圍主要指的是輸入部分的動態範圍,也就相當於膠片的寬容度。
  根據目前看到的一些測試,DSLR的光學動態範圍基本上和負片相近,超過反轉片。 
  其通俗來說就是最大值與最小值的差.

4 動態範圍 -動態範圍與成像技術

  在計算器圖形學、電影、攝影和攝像技術中,高動態範圍成像(High Dynamic Range Imaging)是用來實現比普通數字圖像技術更大曝光動態範圍(即更大的明暗差別)的一組技術。高動態範圍成像的目的就是要正確地表示真實世界中從太陽光直射到最暗的陰影這樣大的範圍亮度。
  高動態範圍成像最初只用於純粹由計算器生成的圖像。後來,人們開發出了一些從不同曝光範圍照片中生成高動態範圍圖像的方法。隨著數字相機的日漸流行以及桌面軟體變得易於使用,許多業餘攝影師使用高動態範圍成像的方法生成高動態範圍場景的照片,但是,不要將這作為它唯一的用途,實際上高動態範圍還有許多其它的應用。
  當用於顯示的時候,高動態範圍圖像經常要進行色調映像,並且要與其它幾種全屏顯示效果(full screen effect)一起使用。

5 動態範圍 -音樂--動態範圍

定義

  動態範圍指的是患者聽覺範圍,是從純音聽閾到不舒適閾,如一個正常人聽閾為0dB SPL,不適閾為120dB SPL,則他的動態範圍為120dB 。動態範圍因人而異,兩個聽力圖相同的患者,他們的響度增長函數是不同的,對響聲的敏感程度也是不同的,對於比較嚴重的重振患者,他的動態範圍比正常人要窄。 寬動態範圍壓縮(WDRC )

  WDRC線路能最有效的解決他們的問題。對於小聲音,WDRC將其放大;對於大聲音,放大量響應減少。這樣,患者聽小聲音沒問題,聽大聲音又不至於太吵。
  與壓縮限制不同的是,WDRC線路將正常的聲音壓縮到患者的聽覺動態範圍內,對任何輸入級均進行壓縮,採用低壓縮閾和低壓縮比。對柔和的聲音和強聲的放大量不同。圖7-13是一個WDRC線路的I/O曲線,壓縮拐點在65dB,壓縮比為2:1。
  究竟選擇壓縮限制線路還是WDRC線路要根據患者的實際情況而定,若僅需要避免高強度聲音的失真且需要對輸入聲進行單位增益,可以選擇壓縮限制電路。若要為一位有重振現象,聽覺動態範圍變窄的患者提供一個舒適的放大的聲音,就應該選擇WDRC線路。
  也有的時候,生產廠家會將壓縮限制和WDRC兩種線路結合起來。利用WDRC放大低強度輸入聲,對高強度輸入聲通過壓縮限制來處理。這種技術被稱為曲線壓縮(curvilinear compression)其壓縮比隨輸入級的增加而增加
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