图像处理之动态范围扩展定义与方法

图像处理之动态范围扩展定义与方法

1、动态范围扩展定义

动态范围(Dynamic Range)是物理学中常见的概念，表示某一物理量最大值与最小值的比率，通常以对数表示，单位为dB。对于真实场景，它指场景中最明亮处与最黑暗处的亮度之比。自然景观的亮度范围覆盖非常之广，最大动态范围能达到160db，而人眼可以感知的亮度范围高达10个数量级。

现实中8比特量化的数字相机输出的图像只能记录有限范围的灰阶与颜色数，其动态范围只有两个数量级，远远小于常见的自然场景的动态范围及人眼所能感知的动态范围，数码相机动态范围不足的问题对其应用造成了较大的影响。鉴于该问题，需要我们进行动态范围扩展，从而让电子显示设备能够输出更宽动态范围的图像。

扩展数字成像系统的动态范围，即高动态范围成像技术(HDR)，指利用硬件或者软件的方法，使系统输出的图像包涵尽可能大的场景亮度范围，并准确地再现场景真实的细节信息。目前实现该技术的主要方法：软件扩展方法和硬件扩展方法。其中软件扩展方法主要分为辐照度重建法和直接融合法。

2、动态范围扩展方法

2.1 硬件扩展方法

硬件上限制数字成像系统动态范围的主要元件是图像传感器(sensor)，CCD／CMOS传感器的动态范围定义为饱和电荷量Qs与最小可探测电荷量Qd的比值如下。sensor动态范围主要受光敏器件的灵敏度、满阱容量和噪声水平等因素限制，而且传感器面积一定的条件下，提高像素数目与提高动态范围相互矛盾。因此在不减少图像传感器像素数目的条件下，提高动态范围需要增大图像传感器的面积，成本将会增加，成像系统的结构也可能受到影响。

硬件扩展的另一方案是通过改变光学系统结构或添加其他元件改变图像传感器接收光能量，经后期处理实现动态范围扩展。如利用分光棱镜使入射光线在不同的靶面成像，采用