李錚 曹欣

對(duì)天空測(cè)光曝光下拍攝，然后提升了陰影，利用了相機(jī)捕獲的動(dòng)態(tài)范圍，獲得了比通常JPEG中動(dòng)態(tài)范圍大得多的圖像

左圖為普通動(dòng)態(tài)范圍，右圖調(diào)高了動(dòng)態(tài)范圍

什么是動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range，簡(jiǎn)稱DR）被廣泛引用，有時(shí)也被當(dāng)作圖像質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)討論。實(shí)際上，動(dòng)態(tài)范圍是圖像質(zhì)量的一個(gè)方面，體現(xiàn)攝影的細(xì)節(jié)和層次以及質(zhì)感。我們需要了解的是什么是動(dòng)態(tài)范圍，以及怎么調(diào)整參數(shù)，讓相機(jī)性能的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。

圖像質(zhì)量作為一個(gè)整體包含一系列屬性，例如顏色和分辨率（因此需要考慮白平衡和清晰度等）。但即使你只是考慮相機(jī)或傳感器對(duì)不同亮度水平的色調(diào)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字仍然是你需要了解的重點(diǎn)。

簡(jiǎn)而言之，動(dòng)態(tài)范圍是你的相機(jī)可以捕捉到的主體亮度范圍，從最亮（信息“剪輯”的地方）到最暗的可用色調(diào)。它可以很好地指示從相機(jī)中輸出的 Raw 文件有多靈活。但它并沒(méi)有告訴你更多。

動(dòng)態(tài)范圍的差異通常存在于圖像的陰影中。數(shù)字傳感器在高光中有一個(gè)“臨界點(diǎn)”：任何額外的信號(hào)都會(huì)簡(jiǎn)單地記錄為最大原始值，超出此范圍的任何東西都無(wú)法恢復(fù)。

如果一種新的傳感器設(shè)計(jì)對(duì)光線有更大的容忍度，它的基本ISO 范圍就更廣，參數(shù)上帶給用戶更多信心，在更廣泛的光線范圍內(nèi)應(yīng)用。這類相機(jī)的影像素質(zhì)，可以讓攝友在陰影中找到額外的動(dòng)態(tài)范圍，并且與其他相機(jī)傳感器相比，差異也比較明顯。

應(yīng)用動(dòng)態(tài)范圍主要“靠感覺(jué)”？

當(dāng)前評(píng)估DR 的下限存在模棱兩可的情況。DR 數(shù)字描述了最亮的捕獲色調(diào)和最暗的可用色調(diào)之間的距離，但它們不會(huì)告訴你關(guān)于這兩點(diǎn)之間任何色調(diào)的信息。即使你已經(jīng)確定了較低的截止值，提供了12 擋DR 的相機(jī)在第 11、10、9 擋處，用肉眼也看不出太大差異。比如松下GH6 具備12+ 擋動(dòng)態(tài)范圍，如果開啟動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)能夠達(dá)到13+ 擋動(dòng)態(tài)范圍（ISO 只能設(shè)定為2000）。松下GH6 搭載的是V-Log 伽馬曲線，對(duì)于色彩的保留更好，對(duì)于高光保留更好，后期處理更舒服。各個(gè)機(jī)器的內(nèi)部參數(shù)調(diào)節(jié)和技術(shù)不一樣，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，其實(shí)不是很直觀能了解到。

原始文件

在Adobe Camera Raw中將曝光設(shè)置為+5

通過(guò)DR 參數(shù)判斷相機(jī)有點(diǎn)像被蒙上眼睛并抓住動(dòng)物的尾巴，你可以根據(jù)它離地面的距離和感覺(jué)來(lái)猜測(cè)，但最終你不能完全確定尾巴是附在大象還是驢子身上。要了解影響動(dòng)態(tài)范圍的因素，還需要了解到什么是噪點(diǎn)，包括為什么圖像中測(cè)得的噪點(diǎn)值可能位于你認(rèn)為在圖像中最干凈的地方。

實(shí)際拍攝中，攝影的動(dòng)態(tài)范圍還是有一點(diǎn)回旋余地，因?yàn)閭鞲衅鞯募t色、綠色和藍(lán)色通道不會(huì)都在相同的亮度水平下剪輯。但是一旦一個(gè)通道達(dá)到“極限”（高光過(guò)曝），重建顏色的準(zhǔn)確性就很小了。相機(jī)通常會(huì)盡其所能利用更多的高光信息，比如Raw 文件包括了更多色彩信息，但是恢復(fù)高光的可能性也要看運(yùn)氣。

令人煩惱的噪點(diǎn)

噪點(diǎn)是圖像中一種亮度或顏色信息的隨機(jī)變化（被拍攝物體本身并沒(méi)有），通常是電子噪點(diǎn)的表現(xiàn)，圖像噪點(diǎn)是圖像拍攝過(guò)程中大家最不希望看到的“信息”。圖像噪點(diǎn)的強(qiáng)度范圍可以存在于具有良好光照條件的數(shù)字圖片中，也可以滿畫幅充斥在光學(xué)天文學(xué)或射電天文學(xué)中。

噪點(diǎn)為什么產(chǎn)生？ CCD 和CMOS 感光元件都存在有熱穩(wěn)定性（Hot pixel）的問(wèn)題，與成像的質(zhì)量和溫度有關(guān)，如果機(jī)器的溫度升高，噪點(diǎn)信號(hào)過(guò)強(qiáng)，會(huì)在畫面上不應(yīng)該有的地方形成雜色的斑點(diǎn)，這些點(diǎn)就是我們所講的噪點(diǎn)。各個(gè)品牌各種型號(hào)的相機(jī)對(duì)噪點(diǎn)的控制能力也不盡相同，同一型號(hào)的相機(jī)也有一定的個(gè)體差異，也有些相機(jī)有降噪功能。但噪點(diǎn)問(wèn)題是現(xiàn)在所有DC 都沒(méi)能完全克服的問(wèn)題（調(diào)高感光度（ISO），特別是長(zhǎng)時(shí)間曝光， 或相機(jī)溫度升高時(shí)）。噪點(diǎn)的多少因傳感器構(gòu)造以及處理器差異而不同。

回到動(dòng)態(tài)范圍上， 將下限設(shè)置為最暗的“可用”色調(diào)，是一種主觀判斷。DR 有一個(gè)技術(shù)定義，通常稱為“工程 DR”，它使用噪點(diǎn)級(jí)別等于場(chǎng)景信號(hào)強(qiáng)度的點(diǎn)（信噪比為1），這其實(shí)比大多數(shù)人在視覺(jué)上接受的噪點(diǎn)要多得多，只是平時(shí)我們沒(méi)有100%的放大圖片去數(shù)而已。

除了相機(jī)具有多少可用動(dòng)態(tài)范圍之外，攝友的工作流程也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。由于DR 的下限基于噪點(diǎn)，因此它還受到縮放圖像和降噪的影響。如果攝影師應(yīng)用一些復(fù)雜的降噪功能，或者持續(xù)拍攝視頻讓相機(jī)無(wú)法冷卻，也會(huì)改變相機(jī)可用動(dòng)態(tài)范圍的表現(xiàn)。

信噪比是什么

如上所述，噪點(diǎn)是一種我們可以直觀看到的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，噪點(diǎn)是真實(shí)信號(hào)的偏移，表現(xiàn)為與背景不相容的雜信號(hào)。例如，在一個(gè)紅色的物體上出現(xiàn)綠色的信號(hào)，或者在一個(gè)灰色物體上出現(xiàn)了白色信號(hào)，這些信號(hào)就是我們所說(shuō)的噪點(diǎn)。這就涉及一個(gè)問(wèn)題：噪點(diǎn)與信號(hào)是相輔相成的，或者說(shuō)噪點(diǎn)本身也是信號(hào)的一種，無(wú)非是我們不需要的信號(hào)，抑或不正確的信號(hào)。

噪點(diǎn)是不正確的信號(hào)，因此在單色的背景上往往會(huì)更加明顯，比如天空的圖像中就非常容易觀察到噪點(diǎn)。在同一幅照片中，亮度較低的部分噪點(diǎn)水平也會(huì)更高，這是由于光子噪點(diǎn)更明顯而造成的。

大部分感光元件采用RGBG 的形式排列像素，所以數(shù)碼相機(jī)捕捉的彩色圖像上也會(huì)出現(xiàn)彩色噪點(diǎn)。顯然，撇開信號(hào)來(lái)談?wù)撛朦c(diǎn)是沒(méi)有意義的。噪聲是模擬設(shè)備與電子設(shè)備普遍存在的問(wèn)題，噪點(diǎn)是噪聲在數(shù)碼圖像上的表現(xiàn)形式。

假設(shè)某個(gè)采樣設(shè)備獲得的噪聲是1，你能否判斷這樣的噪聲是否明顯呢？答案是否定的。因?yàn)槲覀冎挥性诹私庑盘?hào)的強(qiáng)度以后才能夠判斷“1”到底是較強(qiáng)的噪聲還是微弱的噪聲。如果采樣設(shè)備獲得的信號(hào)也是1，這時(shí)候信號(hào)相對(duì)噪聲的比值是1：1，噪聲就非常高，高到信號(hào)本身已經(jīng)失去意義。假如采樣獲得的信號(hào)是10000000，這時(shí)候信號(hào)相對(duì)噪聲的比值就非常大，噪聲就顯得相對(duì)很低。

為了評(píng)判噪聲相對(duì)信號(hào)的強(qiáng)弱，我們通常用信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）來(lái)衡量某個(gè)設(shè)備或者系統(tǒng)的噪聲水平。信噪比的定義非常簡(jiǎn)單，它就是信號(hào)與噪聲的比值：SNR=S/N

等式中S 代表信號(hào)，N 代表噪聲。信號(hào)越高、噪聲越小，信噪比就越高；信號(hào)越低、噪聲越大，信噪比就越低。信噪比一般用分貝（dB）來(lái)表示。分貝的定義是：dB=10lg（S/N）

在上面的例子中，信號(hào)與噪聲都為1，其信噪比為0（lg1=0）。直觀地說(shuō)，由于信號(hào)與噪聲是一樣的，根本就無(wú)法區(qū)分信號(hào)和噪聲，所以也就沒(méi)有所謂的信噪比了。而在信號(hào)與噪聲比值為10000000：1 的情況下，其信噪比為70dB。

信噪比直觀地體現(xiàn)了設(shè)備的信號(hào)采集性能。表現(xiàn)在數(shù)碼攝影中，采集的圖像信噪比越低，噪點(diǎn)就越明顯；信噪比越高，畫面就越干凈。在數(shù)碼圖像的生成過(guò)程中，有很多環(huán)節(jié)會(huì)引入噪點(diǎn)。

為什么信噪比如此重要

與直覺(jué)相反，從數(shù)字上看，高光的變化程度比陰影的變化更大，但我們認(rèn)為陰影是圖像的“噪聲”部分。這是因?yàn)樵肼暤某潭炔⒉皇悄阏J(rèn)為的噪聲，重要的是信號(hào)和噪聲之間的關(guān)系。與構(gòu)成高光的強(qiáng)信號(hào)相比，少量噪聲對(duì)構(gòu)成圖像陰影區(qū)域的微小、微弱信號(hào)的影響要大得多。

讓我們看看這兩種噪聲源的影響，即電子讀取噪聲和光子散粒噪聲。表一顯示了能夠保留多達(dá) 40000 個(gè)光電子的相機(jī)理論信號(hào)（藍(lán)線，左側(cè)刻度）。右側(cè)刻度繪制了我們通?？赡芷谕墓庾由⒘Ｔ肼暎ǔ壬€）和讀出噪聲（綠色線）的量，從最暗的可記錄色調(diào)（底部刻度，0% 亮度）到削波（100%亮度）。

高ISO下，噪點(diǎn)基本充斥著整幅圖片

表1：相機(jī)理論信號(hào)

表2：不同亮度級(jí)別的信噪比

需要認(rèn)識(shí)到的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，即使是一臺(tái)完全不向其圖像添加電子噪聲的假想相機(jī)，仍然會(huì)有嘈雜的陰影。光子散粒噪聲（光的隨機(jī)性）意味著捕獲的圖像總是有噪聲。但為了弄清楚為什么這種噪聲通常出現(xiàn)在陰影區(qū)域，我們將把橙色線計(jì)入藍(lán)色線，并查看由此產(chǎn)生的信噪比。

表二的兩張圖顯示了圖像中不同亮度級(jí)別的信噪比，展示了信噪比如何隨著亮度（信號(hào)）的增加而增加。軸繪制在對(duì)數(shù)刻度上，因此每個(gè)格代表亮度或信噪比的加倍或減半。

現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)中的傳感器并不完美：在捕獲光線時(shí)會(huì)添加少量電子噪聲，并且會(huì)在讀出過(guò)程中進(jìn)一步添加更多噪聲，直到信號(hào)被相機(jī)的編碼器轉(zhuǎn)換。這種電子/“讀取”噪聲有多種來(lái)源，包括傳感器變熱時(shí)的熱噪聲，長(zhǎng)時(shí)間曝光尤其會(huì)讓這個(gè)數(shù)值上升。