影响数字摄像机动态范围的因素

146现代电视技术2018.4
动态范围指的是呈现所拍摄景物最暗部分到最亮部分的亮度范围，要完整地观看到原始景物的动态范围采集端、传输端、显示端的硬件水平需要保持一致。

当然再现真实景物动态范围难度很大，本文只讨论数字摄影机拍摄时影响动态范围的因素，可以说前端已经决定了最后所能呈现的动态范围的最大值。

动态范围 快门 光圈 增益 伽马摄影摄像的过程就是一个光信号采集转换成电信号记录的过程，与录音机记录声音是一个道理，同样存在数据采集、数据处理、数据记录的过程。

对胶片机等模拟拍摄来说，摄影的过程都是基于卤化银的光化学反应，它是按对数方式进行的，也就是说胶片颗粒对光线的反应和人眼感受器对光线的反应一样。

对摄像机等数字拍摄来说，摄影的过程是线性电路完成的，它是由许多的比特位来表现连续的模拟图像，如果不对线性电路做任何调整，那么数字影像能够展现的细节层次比起胶片将大大减少。

展现胶片的电影感，或者说能够更加接近人眼的感受曲线，有效扩大影像的动态范围（DR ），是广播电视行业使用非线性曲线的原因。

在数字电视领域，决定动态范围的环节有三个。

首先是图像传感器（CMOS/CCD ）光电转换时的动态范围，可以理解为模拟视频信号的信噪比（SNR ），即可记录的不失真最大信号和视频噪波的有效值之比；其次是模数转换（A/D ）时的动态范围，表现为数字采样的数据位，即采用8bit 、12bit 还是16bit 进行量化；最后是视频文件格式记录时的动态范围，可以通过记录比特数或改变增益、伽马等参数来实现不同的动态范围。

理论上若要达到更高的信噪比，则需要更多的量化比特数，即SNR 每增加6dB ，比特位需增加一位。

实际上三个环节均会对最终图像的动态范围产生影响，一般前两个环节由硬件决定，最后一个环节可由视频工程师修改参数来实现动态范围的调整。

数字摄像机的动态范围跟胶片时代的宽容度类似，目
就必须要提到一个曝光值概念（EV ，Exposure Value ），指
的是通过镜头直接抵达传感器的光通量，常使用曝光值来
测量图像中包含的动态范围。

比如动态范围大约是10000:1的反差比，即213.3=10086，意味着动态范围是13.3EV 。

如果反向计算的话，我们需要的是log2，按计算器上的log （log10）乘以转换系数3.32得出相应的EV ，即log10（10000）×3.32=13.28EV 。

实际使用中，EV 通常用级或档（stop ）来表示，不同于表示光圈大小的f-stop （f 值），当感光度为ISO 100、光圈系数为F1、曝光时间为1秒时，EV 值定义为0。

假定照度不变，在传统摄影中，EV 取决于机械快门、光圈和感光度（ISO ），在数字摄像机拍摄中，EV 相对取决于电子快门、光圈和灵敏度（增益）。

根据曝光原理，曝光量与光圈大小和增益成正比，与快门速度成反比。

而为得到正确的曝
光值，这三者又是相互制约的，所以在光线不足的情况下，需要根据情况在这三者中进行取舍（如表1所示）。

摄像机电子快门不同于机械快门，电子快门是利用电子技术在时间上控制传感器芯片上电荷的产生与转移，从而得到“快门”效果，相同点是都指的拍摄一帧画面的曝光时间。

常见电子快门方式有全局快门（整幅场景同时曝光）
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Engineering
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和卷帘快门（逐行曝光），一般来说CCD 传感器多用全局快门，CMOS 传感器多用卷帘快门。

帧率决定了每秒画面的帧数，快门决定每帧画面曝光的时间，也就是说1秒钟的拍摄，设置帧速为25，快门为50，则快门开合25次，每次曝光1/50秒。

快门速度越快，捕捉到的动作就越清晰。

但在视频拍摄时，如果快门的速度设置得过高，会导致捕捉的动作间隔较大，运动画面变得不流畅。

因此一般是将快门速度设定为帧速率的两倍，如帧率设定在24或25，就把快门设定在50，这样运动模糊比较符合大部分人的常规观影感受。

当电子快门开关（SHUTTER ）关闭的时候，默认当前视频格式的帧率，即PAL 制下为50Hz 。

当人造光源的频率与快门速度形成一定比率的时候，可能会产生画面频闪，这时候需要打开电子快门，根据光源频率选择合适的电子快门速度（EVS 、CLS 、ECS 、STANDARD ）来降低画面频闪。

在其他参数不改变的情况下，只改变快门速度会影响EV 大小，但不会影响到画面整体动态范围（EV 差值不变）。

摄像机光圈跟传统的定义一样，都是控制进光量的多少，在大光照的情况下跟单反使用灰镜类似，摄像机有ND 滤镜可以有效地减少进光量。

ND 滤镜可以实现在光线很强的时候也能用大光圈达到背景虚化的效果，还可以在光线强的时候使用慢速快门，达到运动物体或者人物虚化的效果。

因为曝光值由快门、光圈和灵敏度共同决定，在增加快门速度的同时，想要保证相同的曝光量，在同一时间内必须增加受光面积，即加大光圈（减小f 值）；在快门不变，减小灵敏度的情况下，想要保证相同的曝光量，也需要增加感光元件的受光面积，即减小3dB 增益，增加半档光圈。

在其他参数不改变的情况下，只改变光圈大小会影响EV 大小，但不会影响到画面整体动态范围（EV 差值不变）。

摄像机中的增益是指摄像机中的视频处理电路对CCD 产生的图像信号（包括有效信号和暗电流等干扰信号）的放大能力，增益控制也能影响视频明很好时，人为地控制减小对图像信号的放大量，由此带来的好处是提高了信号的信噪比，画质表现更加干净。

提高传统的摄影机增益或者使用不同的ISO 并不会改变传感器对光的实际灵敏度，改变的只是从传感器输出的信号被放大的多少。

就像提高或降低收音机的音量，声音等级也会提高或者降低，但是无线电信号强度是不会变的。

相较于厂商的初始灵敏度来说，增加或者减少增益，原先传感器记录为接近最亮和接近最暗的部分都被偏移到了切割或者说过载的范围，画面的有效内容会相应地减少，变相地缩减了动态范围。

所以说增益或者ISO 初始值是在灵敏度、噪点和上下曝光宽容度中相互取舍设定的，通常情况下能带来最大的动态范围（如表2所示）。

除了跟常规摄影类似的三个参数之外，摄像机伽马（下转第151页）
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保持源码文件与低码文件封装格式一致，有利于在调色环节回套源码素材时，保证调色系统的稳定，后续合成输出工作顺利进行； z 使用Avid DNxHR LB 8位编码，在现有网络存储条件下可保证5台编辑工作站进行多轨编辑。

编辑人员可与编辑工作站顺畅交互，且整个制作系统稳定运行； z 关于4K 视频文件转码，由于拍摄设备的不同，导
致4K 素材格式有多种类型。

有的素材文件可直接在后期编辑软件中使用，有的却必须使用配套专用转码软件，插件程序或者是第三方编辑软件，对其原始格式进行转码之后才能使用。

如大疆无人机拍摄RAW 的DNG 序列，可用CINE LIGHT 软件转码；RED ONE 拍摄的R3D 文件可用REDCINE-X_PRO 软件转码。

四 结论4K 视频文件因其文件体积大、码率高的特点，在特编辑软件支持，能够保证编辑阶段整个系统稳定运行，编辑过程流畅高效；及最终调色合成阶段输出高质量视频文件。

对于4K 视频文件，只有仔细学习了解它的采集工具、特点特性、适用环境等，才能进行合理使用，顺利完成4K 视频制作任务。

参考文献
[1] 刘峰,《视频图像编码技术及国际标准》,北京邮电大学出版社出版的图书，2005.
[2]DNxHR Codec Bandwidth Speci fications [EB/OL],
/pkb/articles/en_US/White_Paper/DNxHR-Codec-Bandwidth-Speci fications.
[3] XA VC Pro files and Operating Points [EB/OL],
h t t p ://w w w.x a v c -i n f o.o rg /x a v c /s h a r e /d a t a /X AV C _P r o f i l e s _a n d _
OperatingPoints_120_Amd1.pdf.
[4] 李韵，《浅谈4K 素材在后期制作中的全流程》，科技传播，2017,8.（上接第147页）
对动态范围的作用非常巨大，线性的系统所拥有的动态范围远远小于使用了非线性伽马的系统。

BBC 的研究报告基于韦伯定律给出了一个可以用于定量计算数字电视系统动态范围的公式，即 。

其中L 是数值范围0~1的经过归一化后的相对亮度值，V 是显示器输入信号电平的归一化相对值，N 是总量化级数，γ则是显示器的伽马值（传统SDR 电视系统中，按照ITU-R BT.1886的规定为2.4），根据一些主观测试的结果，一般来说当两个相邻量化级对应的亮度差小于5%的时候不容易被人眼察觉出来，即不容易看到banding 现象应该满足 。

将不同的量化规格和伽马值代入的话，计算结果如表3所示。

可以看出8bit 的数字电视有效动态范围只有5.34档，不采用伽马曲线的线性系统动态范围更小。

伽马非线性曲线更有效率地利用数字量化级数，在低比特的条件下重现高比特的动态范围。

在日常使用中，摄像机伽马曲线应该是一开始设定不变的，当然尽可能选择弯曲程度大的伽马曲线来实现更高的动态范围（当然伽马取值够用即可，高压缩的伽马曲线会带来画面偏灰的效果，需要后期调色软件细调）。

如果不是刻意追求摄像机的最大动态范围，还可以使用负增益（-3dB ）来降低噪点，如果曝光不足，首先考虑最大光圈，其次是减小或者关闭电子快门，最后考虑增加增益，3dB 以上的增益需要慎重考虑。

如被摄景物的亮度范围超过了摄像机能够反映的亮度范围，可用以下方法来改善：为被摄景物的暗部补光或者调整画面中的高光景物占比，达到
缩小光比的目的；使用DCC 电路（拐点控制）和AGC 电
路（增益控制）；根据艺术需要，采用暗部、中部、亮部分别曝光法或者改变拍摄构图景深等。

在正常的电视光照条件下，有效地使用摄像机参数设置，可以实现最合适的动态范围和最细腻的画质表现。