摄影技术-理解动态范围

[摄影技术]理解动态范围

从上图可以看出，自然界光强的变化范围非常大，从直射的日光到星光的变化在8个数量级，即一亿倍，相当于26.6个曝光档。用摄影的语言，我们说自

然界光强的动态范围是8个数量级，或者说27EV。由于自然界中物体的反射过程非常复杂，光线经过反射之后的动态范围实际上远远超出了27EV。

数码相机的感光元件由一个个面积有限大小的像素组成。直观地说，曝光的过程就是往一个个像素上存储光子的过程。每个像素存储光子的能力都有个上限，超过了这个上限，光子就会溢出，多余的光子不会被记录下来，就好像盛水的容器都有一定的容量一样。因为噪声的存在（热噪声和统计噪声），像素记录光信号的强度也有个下限。像素能记录的光强（和光子数成正比）的上限和下限之比，构成了数码相机影像传感器的动态范围。像素的面积越大，存储光子的就容量越大，抗噪声的能力也越大，因此其记录影像的动态范围也就越大。

因此，大致来说，数码相机的动态范围就是它所能记录的最大光强（当像素饱和时）和所能记录的最小光强（决定于传感器的噪声）之比。动态范围一般用

曝光值的档数来表示。如果最大和最小光强的比值是1024:1，动态范围就是10EV （即10档光圈；因为1024等于2的10次方）。

因为相机能记录的最小光强和影像传感器的噪声有关，其动态范围也是ISO 值的函数。ISO值越高，噪声越严重，动态范围也越低。一些数码相机，在ISO 值的低端有扩展的低ISO值（比如尼康D700的物理ISO最低值是200，但扩展ISO可以到100）。这些扩展的低ISO值可以减少噪声，但同时也减少了动态范围（从而导致变低的影像对比度）。这是因为低扩展ISO的设置是这样的：让相机过曝一档以提高信噪比，之后再截断高光部分以使最后成像没有过曝。这样，记录的最大光强没有改变，最小光强增加了，所以动态范围减小了。

即使相机的传感器能够扑捉到很大的动态范围，实际有用的动态范围还跟相机把光信号转化成数字信号储存下来的能力有关。这个能力在数码技术上由A/D 转换因子决定，这个转换因子称作位深（bit）。记录介质的位深越高，能记录下来的动态范围越大，参见下表：

注意，上表给出的只是理论上的动态范围，实际表现的动态范围取决于很多因素，比如最终影像在电脑显示屏上显示的动态范围和打印出的相片的动态范围都会和理论值有明显差别。

大部分单反数码相机的RAW文件可以记录10到14的位深，因此理论的动态范围是10－14EV。大部分数码相机实际可用的动态范围能是5－9EV。高端的数码单反相机，比如尼康D700，在基本ISO（200）可以轻易记录下9档以上的可用动态范围(/nikond700review.htm)。

下图给出的是尼康D700和佳能5D Mark II的不同感光度下的动态范围（RAW 文件输出）。随着ISO的提高，增加的噪点导致相机的动态范围迅速降低。

第一张图是在显示屏上的动态范围，第二张图是在打印机上的动态范围。如果要理解这些结果的精确含义，请参考这两个图的出处：

/index.php ...

or/Compare-sensors/(appareil1)/441|0/(appareil2)/483|0/(onglet)/0/(br and)/Nikon/(brand2)/Canon

JPEG文件记录的位深通常是8位（对应光强比是256:1；三个颜色通道位深总和是24位，记录 256x256x256 = 16.7百万种颜色），所以它可以记录的理论最大动态范围是8EV。下表是dpreview网站对尼康D700在用JPEG输出时的动态范围结果（/reviews/nikond700/page20.asp）：

传统负片胶卷的动态范围是7EV(通过特殊的冲印技术可以达到10EV甚至更高一点），正片胶卷的动态范围是5EV。人的眼睛的动态范围要比数码相机宽广得多。如果瞳孔大小保持不变，人眼可以识别10－14EV范围之内的光强（相当于对比度1000－20000:1)。如果瞳孔大小允许改变，人眼可以识别24EV范围之内的光强（相当于光强对比度20000000:1）。

不同类型的测试结果会有些出入，但一个显见的结果是现在高级的数码相机的动态范围已经超越了传统胶卷，特别是以RAW文件记录输出图像的时候（/PRODS/D700/D700IMATEST.HTM）。

参考文献：

/tutorials/dynamic-range.htm

/tutorials/photoshop-curves.htm /index.php

David Prakel: Basics Photography: Exposure（有中译本）