发布时间：2024年8月2日
7月25日上午，imatest如期开展【动态范围测量挑战】专题线上技术交流会，参会的小伙伴不妨在评论区留言会议精彩瞬间！
本期会议围绕了【动态范围测量挑战】主题，主要分享了关于动态范围的定义解释、传感器和系统动态范围间的问题、测量方案以及杂散光对动态范围的影响等等。
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正印科技挑选了几个大家比较关心的问题进行答复。接下来，让我们一起回顾本次线上技术交流会的精彩内容吧！
Q1：最高可支持多大动态范围的测量挑战？如果测量过程中需要使用增距镜，如何避免增距镜对于测试效果的影响？
这里有两个问题，第一个问题是最高可以支持多大的动态范围测量。
动态范围测量结果通常与所使用的成像设备和测试环境有关。动态范围测量是指通过对拍摄图像中亮暗变化区域的统计分析，来评估成像系统的动态范围。
HDR图像传感器通常会标称100dB及以上的动态范围，但对晚上的成像系统来说，还要受到镜头、ISP甚至后处理算法等多个因素的影响；如果调试不当，成像系统可能只能达到60dB~70dB。
对测试来说，常见的测试卡量程分为3种，分别是50dB，100dB和150dB。对于成像系统的测试，可以根据sensor标称的DR数值，选择合适的测试卡进行测量。
第二个问题，如何避免增距镜对动态范围测量结果的影响？
1、增距镜也可以看作一个光学透镜，环境光线穿过增距镜然后折射进入到成像系统上，在这个条件下，增距镜本身的质量属性在一定程度上就会影响动态范围的测量。因此，我们需要选择一个具有高透过率和低失真率的增距镜，确保光学性能优异，减少对图像质量测量结果的影响。
2、增距镜和摄像头之间的距离可以用来模拟实际距离距离，在使用增距镜的时候需要对测量系统进行校准，增距镜的光轴和sensor的光轴能够重合时最佳。
3、受外部环境的影响，增距镜在测试的时候需要尽量减少光路折射和反射现象，在实验室测试过程中，特别要注意高反射的camera夹具及实验室内的高反射物体或墙壁等。需要尽可能避免额外的反射和衍射现象，弱化stray light对动态范围测量的影响。
4、此外，在使用增距镜测试的时候，手指不要触碰到增距镜体，需要注意清洁镜片和光学表面，防止灰尘和污垢影响测量结果。
Q2：sensor宣称的动态范围与实际成像测量的动态范围的差异？
制造商提供的动态范围通常是基于理想条件下的理论值，实际使用中的多种因素可能导致动态范围数值降低或增高，想要实际测试值和理论设计值完全相同基本是不可能的。主要有以下几点原因：
- ISP调试部分：在实际成像中，需要经过人工ISP或者Ai ISP对图像进行调优，调优过程中的噪声水平会影响图像质量，影响动态范围。比如，过度降噪某种程度上会使得暗区亮度表现更加平滑，提升动态范围，但同时也牺牲了暗区的高频信息表现；sensor在不同亮度级别下的响应可能不是完全线性的，以及ISP 调试中的曝光分配策略或者gamma的亮度响应也不是处于一个最优的状态，这都会导致实际动态范围数值偏低。
- 硬件部分：sensor在整个成像系统中只是其中一个部分，硬件的光学属性也会影响最终的动态范围，如镜头的透光性、折射率等因素会直接影响图像质量，也会影响动态范围。有些camera为了拍摄特定的场景使用滤光片，滤光片减少光线强度和改变光线的特性也会引入失真，影响动态范围。
- 软件部分：成像系统在完成成像任务，为了适应显示设备或存储要求，图像可能会被压缩，导致动态范围损失。
- 后处理算法：在不考虑延时或算法处理时间的情况下，多帧曝光融合能优化成像动态范围。
Q3：实验室测试的DR数据与实际场景中的映射和差异？
相机在实验室测试的DR数据和实际场景中的DR数据有对应关系，但不会是一个线性的数据映射关系。至少LDR、SDR和HDR模式的相机，如果在实验室测量的DR数据是递增状态，那在实际场景里，理论上在面临高动态光比环境时，三者表面的动态范围能力也应该是递增状态。同一个相机，在面对实验室和实际场景的测试时，无法找出一个绝对的关联系数对二者做映射。因为：
- 测试环境与实际使用环境不同：实验室测试通常在受控的环境下进行，比如均匀的光源和标准化的测试图案，这与实际拍摄环境中的光照条件、场景复杂度等可能差异很大。实际场景可能有强烈的高光和阴影对比，导致相机在处理极端光照条件下的表现不同于实验室测试时的结果。
- 光照条件的变化：实验室测试中的光照条件通常是标准化的。但在实际场景的拍摄过程中，光照条件复杂多样，如阳光直射、反射光、光照色温变化等，这些都会影响相机的动态范围表现。
- 图像处理算法：实验室测试一般测量的是相机传感器的动态范围，是可重复甚至是比较理想的。而实际场景中，图像处理算法（如自动曝光、降噪、色彩校正）会对图像进行处理，这可能会改变最终图像的动态范围表现。
- 测量标准不同：实验室中的DR测量可能采用不同的标准或方法，比如基于测光的方式和实际拍摄时的曝光量不同，也可能会导致差异。
Q4：如何测量RAW sensor最大DR？
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如图，首先需要一个高动态范围的测试卡、具有稳定输出的光源、光度计、用于图像处理分析的软件，如imatest master；
然后需要在暗室或受控光照环境下进行测试，避免环境光变化影响测量结果；
相机HDR的测试与相机的曝光水平密切相关，过曝或者曝光不足，都会影响HDR的测量结果。所以，在黑电平校准的前提下将相机设置为手动模式，建议设置1X增益，调整曝光时间，确保每次取景一致。
同时建议多次拍照，得到低曝光到高曝光拍摄照片，筛选出从完全黑暗到完全饱和状态的图片，从而找到相机的最大动态范围。
Q5：密度的间接测量法会导致误差，要测的DR越高误差越大，是否考虑用亮度直接测量？
密度测量法是基于灰阶密度做参考，摄像头拍摄动态范围测试卡，统计灰阶像素级和灰阶的噪声响应情况，推算出相机的DR水平。亮度测量法是直接确认相机能够辨识的亮度级别，算出相机的动态范围。从测试方法上看，基于亮度直接测量的方法是更为直接，但环境搭建和准确性的确认上还有待商榷。
- 如何创造均匀的HDR渐变的亮度环境（高均匀性的环境）？即使是高达95%均匀性的光源，配合36阶动态范围测试卡，再覆盖一层匀光介质，也很难保证从灰阶块穿透的光是均匀的。或许可以在灰阶前再加匀光片，但同时也会带来更多反射折射的问题，不利于动态范围测量。如果直接用光学玻璃做灰阶，单层玻璃的均匀性问题也要考虑。
- 如果缩小灰阶尺寸，某种程度可以实现不同灰阶块上，单灰阶块的亮度相对均匀。但是对于一些分辨率较低的摄像头来说，灰阶块占比像素太少不足以分析动态范围和噪声水平。对于广角相机来说，会误认小块灰阶为点光源，这会带来stray light的影响。
- 对测试仪器的准确性和稳定性要求极高。灰阶块光密度的标定会比透过灰阶块亮度水平的标定更加准确且稳定。灰阶块亮度的测试，需要考虑测试仪器的重复性和稳定性，尤其是大多数亮度计量在面临弱光或低照环境下的测试不稳定性，这对亮度环境的标定极为致命。测试相对角度的变化，灰阶之间亮度相对干扰的影响，测试仪器本身稳定性的变化等因素都要考虑。
综上，基于灰阶亮度数据直接测量相机HDR的方式是比较直接的，但是创建出一个亮度渐变的连续灰阶，且单灰阶的亮度相对均匀的测试场景或者测试标靶是比较复杂的。因此，基于密度测量法是一个相对稳定、准确的测试方法。
以上就是本期【动态范围测量挑战】专题会议的所有回顾内容啦！如需获取本期研讨会课件资料，可关注【正印科技】微信公众号了解获取。
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