动态范围测试丨影响因素及注意事项 – 图像质量与色彩技术知识库

2023年5月23日

一、什么是动态范围？

简而言之，动态范围是摄像头识别场景里最亮和最暗照度环境变化的光比范围——图片上显示为高亮白色区域到黑暗弱光区域。

动态范围（Dynamic Range）对大多数可见光成像系统来说是不可缺少的，因为每个相机都有图像传感器，可以记录色调或灰度的图像信息。

提到DR，我们很容易联想到Sensor的感光能力和模组的曝光性能、曝光方式（曝光合成），这些参数很大程度决定了成像系统的动态范围能力上限。

相机的动态范围在成像结果上的表现为图像传感器可以在纯黑色和白色之间检测多少增量，或者说是二者之间的色调灰阶的变化数量。这些增量被称为stops，f-stops和EV（曝光值）。如果动态范围中的每个增量都是一个stops点，那么可以读取多少了增量决定了它可以捕获多少动态范围stops点。

所以，无论是车载智能驾驶应用的摄像头，还是消费电子摄像头，对高动态范围的期望都是一样的，都希望自己的成像系统在复杂的光环境下能有更高的动态范围，记录更多的场景细节信息。

二、如何看待动态范围？

正常来说，高质量的相机在基本级别ISO（通常约为100）下可捕获12-15stops的动态范围，但是必须在完美的照明条件下才能达到。

比如手动曝光时，当照明条件减弱，则ISO不变的情况下，相机的动态范围能力会降低。此外，如果增加相机的ISO值，动态范围可能会因为亮区过曝也会下降。

高质量的相机可以达到高动态范围，同样人眼可以辨识高动态范围场景。例如在阳光明媚的日子里，你可以在云彩和风景中辨认出细节，它看起来漂亮迷人，你也可以举起你的相机捕捉美丽的场景。

但是人眼所见与相机所得还是会有些许差异，或许当你看着你的照片，大部分的风景是明亮的，但是一些阴影已经失去了细节，天空只是纯白色。那是因为我们的眼睛比当前相机有更大的动态范围，但对二者而言，都有高动态范围的需求。

三、如何测量动态范围？

四、影响动态范围的因素有？

经与众多摄像头厂家沟通交流，我们汇总了与成像系统动态范围（DR）的测量准确性强相关的三个因素。

眩光在DR测量中占主导地位，特别是对于高动态范围（HDR）系统，并与其他两个因素产生强烈的互动。眩光在下图中非常明显，它从明亮的区域辐射出来，影响到整个图像。眩光在DR测量中占主导地位，特别是对于高动态范围（HDR）系统，并与其他两个因素产生强烈的互动。眩光在下边的图像中非常明显，它从明亮的区域辐射出来，影响到整个图像。

测试卡的设计决定了造成耀斑的明亮区域的大小。亮区越大，耀斑越大，测量的动态范围数据越低，这意味着不可能有一个适合所有条件的完美测试卡。

曝光对动态范围测量也有重要影响，特别是图像过度曝光-多个灰阶块过曝。当画面曝光增大到一定水平，最小光密度的灰阶块照度水平会保持不变（已经达到饱和值255），但如果其余灰阶块也有曝光过度的情况出现，那么亮部区域会形成光团现象，相机的AE模式会对此情况做曝光收敛，影响较暗灰阶块的正常表现，最终影响DR测量。

良好的曝光（不超过一个或两个灰阶快）对于准确的DR测量至关重要。必须特别注意具有深色背景的测试卡（无论是从材质选择还是从测试卡设计本身），这可能会导致自动曝光的图像严重过度曝光（自动曝光算法通常试图使平均图像密度为中等灰度）。测试卡背景较深，意味着更强的光密度，当背光强度不变时，深背景透射出的光信号会更弱。

➭ 如何减少测试对DR测量的影响？

测量动态范围需要考虑许多事项。由于动态范围测量会受到来自场景（即测试卡）的杂散光、图像处理（尤其是位深度、黑电平偏移、降噪和色调映射）的强烈影响，因此，测试环境的搭建显得尤为重要。

（1）应尽量减少反射回测试卡正面的环境光，建议用黑色天鹅绒或羊毛覆盖相机附近的所有物品（除了镜头）。它会严重降低 DR 测量，特别是对于 HDR (DR > 100dB) 系统，要特别小心避免镜头的反射。虽然，镜头本身的反射是很难避免的，但是可以通过改变相机的位置来减轻他们的影响（适用于圆形分布的测试卡），这样镜头的反射就会脱离测试卡灰阶块，弱化反射影响。

（2）测试环境应完全黑暗，避免杂散光对测试结果造成不良影响。杂散光是 DR 测量误差的主要原因。如果可能，墙壁应该是深色或中灰的。应使用黑布遮住灯光周围的亮面结构，这些反射表面可能会将光线反射回测试卡。

（3）对于36 色块动态范围或对比度分辨率测试卡，图像中的测试卡大小应尽可能至少为 600×600 像素。对于高分辨率相机，它不需要填充图像。一张 2000×2000 的测试卡图像对于高分辨率相机来说绰绰有余。

（4）不建议使用 20 灰阶块的 OECF 测试卡测量动态范围，它可能在最暗的色块之间有非常大的密度步长，严重影响测量精度。

（5）眩光（在镜头元件和镜筒之间反射后到达图像传感器的杂散光）是 DR 最重要的实际限制因素。眩光一般来自测试卡内或测试卡外（在现实世界中）的光区域或光源。因此，测试卡的选择会对 DR 测量产生重大影响。

（6）在可能的情况下，应在从原始格式（传感器输出）转换的图像中测量 DR，并进行最少的处理，如果可能，位深度至少为 16。这可以在 Imatest 中使用dcraw或Readraw完成，它们不应用色调响应曲线、锐化或降噪，因此对 DR 的影响相对较小。

（7）选择合适测试卡，确保测试卡的DR范围略微超高相机的DR范围。如果测试卡的动态范围范围比设备低，则无法测量设备的动态范围。并且，量程不宜高出过多，标称70db的设备最好选用100db的测试卡，而不是150db的测试卡，因为测试过程中需要透射光源的光源强度足够，才可以完全展现测试卡的动态范围。而动态范围越大的测试卡需要的光源强度越大，标称70db的设备很难达到既要保证只有第一个色块过爆第二个色块接近过爆的同时来满足完全展现测试卡的动态范围，并且光源强度越高，造成的反光，眩光也越大，容易影响DR的数值。

➭ 如何减少图像处理对DR测量的影响？

此外，图像的处理也能影响DR的测量。图像处理可以分为两类：在原始转换期间常规进行的处理和后期处理后应用的处理。两者都可能影响动态范围（DR）的测量。

Raw转换：

将传感器的输出转换为标准图像格式，它包括几个功能（一些可选）参考Imatest软件中的解raw设置。在Imatest中执行的原始转换（使用dcraw或Readraw）不适用色调响应曲线、锐化或降噪，因此对动态范围影响较小。

去马赛克：

（将 Bayer RGRG/GBGB 格式转换为每个像素都带有 RGB 的全彩色）对动态范围的影响相对较小。

Gamma 曲线：

大多数可互换文件都是Gamma编码的，即它们的亮度与像素级gamma成比例（通常gamma = 2.2）。最简单的Gamma编码是像素级 = 场景亮度的1/2.2。当转换后的图像具有8位深度（非HDR图像常见）时，Gamma编码显着提高了动态范围。因为在暗区域中级别很少，所以8位线性图像的动态范围有限。

色调响应曲线 (TRC)：

常与Gamma一起应用。对高光部分施加“shoulder”（降低对比度）是色调响应曲线最常见的特征，但也可能影响到暗区。TRC对DR测量有明显影响（特别是基于斜率的DR），并且可能以复杂的方式产生影响。

锐化：

通常在边缘附近进行，但可能不适用于测量DR的平坦区域。

降噪：

（低通滤波）通常在测量DR的平坦区域进行。降噪对DR测量可以产生深远影响，通常使其优于实际情况。在某些标准中，SNR = 1是DR极限的标准，可能永远无法达到。

颜色校正矩阵 (CCM) 和白平衡 (WB)：

CCM可能会增加噪声，特别是在颜色增强的情况下。但大多数情况下，CCM对DR测量的影响较小。原始转换后可能还会应用其他图像处理。

位深：

大多数转换后的图像位深度为 8，这可能会限制 DR，尤其是对于线性图像。gamma处理对8 bit位深的图像的危害比16位深或更大位深的图片影响要小得多。且位深越大，则可分辨的亮度等级就越多，某种意义上会有更高动态范围的响应。

JPEG ：

高质量的JPEG压缩对DR影响较小。低质量的JPEG压缩会破坏DR（以及其他所有图像质量测量），也不应该用于DR测量。关于JPEG的真正问题在于相机内处理（特别是上述的降噪）会严重影响DR，而8位深度限制了DR。最可靠的结果是将原始图像转换为仅具有16位或更多位深度（48位色彩）的图像，进行最小限度的图像处理。

➭ 如何获取高动态范围图片？

以 RAW格式拍摄

一般相机提供JPEG 和 RAW 等格式拍摄的选项。JPEG 文件大小比RAW文件要小得多，因为JPEG只包含照片数据和表面层细节。此外，JPEG 在编辑软件中比RAW更难编辑和更正。

而RAW 文件较大，包含直接来自传感器的所有未压缩图像数据。所有这些额外的数据意味着更有可能恢复阴影中丢失的细节并推回一些高光。此外，RAW 文件包含相机的所有动态范围。

保持低 ISO取图

优化相机的动态范围时，请将 ISO 保持在尽可能低的水平，在明亮的条件下拍摄时更容易做到。

虽然增加 ISO 可能会使整张照片看起来更亮，但相机的范围会相应减小。ISO 的每次增加都会增加光线，但也会降低动态范围。

五、部分实际案例展示

（1）画面过曝与画面正常曝光对比：

从下图中和分析的数据我们可以看到因为第二张前几个色块过曝，从而影响了动态范围的测试结果。