2023年6月18日
在关于动态范围 (DR) 的帖子中，DR 被定义为曝光范围，即场景/物体亮度。在该范围内，相机会以良好的对比度和信噪比 (SNR) 做出响应。基本问题是无法直接测量用于计算场景 SNR 的亮度噪声。场景 SNR 必须来自可测量的量，即信号 (S)，通常以像素为单位测量，和噪声 (N)，我们称为N 像素的噪声 。
在大多数可互换的图像文件中，信号 S (通常以像素级别为单位) 与场景亮度不是线性相关的。S 是场景亮度 L scene 的函数，即 S=fencoding(Lscene)。可互换图像文件旨在通过将伽马曲线应用于 S 来显示。Ldisplay=k Sdisplay gamma 其中显示伽玛通常为 2.2。对于广泛使用的 sRGB 色彩空间，gamma 略微偏离 2.2。
虽然 f encoding有时近似于 L1/(display gamma), 但它通常更复杂，在高光中有一个“肩部”区域 (坡度减小的区域)，以最大程度地减少高光“倦怠”来帮助提高画面质量。
现在假设有一个扰动 ∆Lscene 在场景亮度，即噪声Nscene 。由该噪声引起的信号 S 的变化 Δ S 为：
对应于 L scene的信号 S 的标准信噪比 (SNR) 为
SNRstandard通常不能很好地表示场景外观，因为它受 S 相对于 Lscene的斜率的强烈影响 ，这在 L 的范围内通常不是常数。例如，“肩部”区域的坡度减小。斜率的低值将导致不代表场景的 SNRstandard 的高值。
为了补救这种情况，我们定义了一个场景参考噪声 N scene-ref，它提供与场景本身相同的 SNR：SNR scene = L scene / N scene。得到的 SNR = SNR scene-ref 是场景外观的更好表示。
SNR scene-ref = SNR scene 是动态范围 (DR) 计算的关键部分，其中 DR 受光照范围限制，其中 SNR scene-ref 大于一组指定值 ({10, 4, 1, 1} = {20, 12, 6, 0 dB}，对应于“高”、“中高”、“中”和“低”质量水平。
log10(s) 作为函数以Expose in dB=-20×log10（Lscene/Lmax)显示在颜色/色调和步骤图结果中。通常推荐颜色/色调，因为它有更多的结果，并且可以在交互和固定、批处理模式下运行。源自用于创建此图的数据，必须对其进行适度平滑处理以获得良好的结果。显示 JPEG 文件 (相机也输出原始文件) 的结果是因为它们说明了“肩部”——高光中斜率降低的区域。
Panasonic G3，ISO 160，机内 JPEG，使用颜色/色调自动（多重测试）运行。注意“肩膀”。下图中的水平条显示SNR场景参考= 20、12 和 6dB的曝光范围。
人类视觉视角：
F 制光圈噪声和场景（或场景参考）SNR
人眼对相对亮度差异有反应。这就是为什么我们根据区域、光圈值或EV（曝光值）来考虑曝光，其中一个单位的变化对应于曝光变化的2倍。眼睛的相对灵敏度由韦伯-费希纳定律表示，ΔL ≈ 0.01 L或ΔL/L ≈ 0.01，其中ΔL是人眼可以分辨的最小亮度差。由于来自明亮区域的视觉干扰（耀斑光），有效ΔL在场景和打印的黑暗区域往往更大。
当相机将光线编码为像素级别时，场景对比度通常会发生变化，这是因为伽玛、色调响应和相关概念的影响。与高对比度相机相比，低对比度编码往往具有更低的噪声（以及更好的信噪比SNR）。因为动态范围是基于场景的，所以我们需要考虑相机的编码。结果称为场景参考噪声或SNR，单位与亮度水平成正比。使用相对亮度单位（例如光圈f-stop）表示噪声更接近于眼睛的反应。
f-stop中的噪声（Nf-stop）是通过将像素级单元中的噪声除以每个f-stop的像素级数获得的。请注意，1 f-stop = 0.301光密度单位 = 6.02 dB（分贝）= log2（亮度）。Nf-stop是以f-stop的（对数）单位表示的场景噪声，必须与线性场景噪声Nscene区分开来，后者与场景亮度Lscene具有相同的线性单位。对于以像素为单位的信号S，
其中Npixels是以像素为单位的测量噪声，d (像素)/d (光圈值) 是信号（像素级）相对于以f-stop = log2（亮度）测量的场景亮度（曝光）的导数。ln(2) = 0.6931已被删除以保持与旧Imatest计算的向后兼容性。
注意到亮度（曝光）是场景的信号电平，这些计算的关键在于，根据测量信号S和噪声N像素计算的场景参考信噪比必须与场景SNR相同，场景SNR基于Nscene，无法直接测量。
Stepchart、Color/Tone Interactive和Color/Tone Auto中的显示提供了f-stop噪声或场景参考SNR（以比率或dB表示）之间的选择。请注意，SNR场景参考随着色调响应曲线斜率的降低而降低，通常是暗斑中耀斑光的结果。
右上图展示了光圈值之间的像素间距（以及因此的d(pixel)/d(f-stop)）随着亮度的降低而减小。这会导致f-stop噪声随着亮度的降低而增加，如上图所示。由于f-stop噪声和场景参考SNR是场景亮度的函数，它们在很大程度上独立于图像信号处理和耀斑光的雾化。
因此，在计算场景参考SNR时，需要使用场景的信号电平和场景噪声，这使得SNR场景参考直接从计算S/Npixel得出。Stepchart、Color/Tone Interactive和Color/Tone Auto中的显示提供了f-stop噪声或场景参考SNR之间的选择。
需要注意的是，f-stop噪声和场景参考SNR是相对亮度单位（如f-stop）的函数，这可以更好地接近于人眼的反应。换句话说，使用相对亮度单位来表示噪声和信噪比更加准确。
总之，了解这些概念和计算可以帮助我们更好地理解相机曝光和噪声，以及在图像处理和分析过程中进行准确的测量和评估。
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