简介

图像的动态范围描述了相机可以重现的场景对比度。更专业地说，它是数字相机系统从最大输出电平（饱和度）到均匀信噪比所能捕获的最大对比度。在评估相机性能时，了解动态范围至关重要。通常，相机系统在再现场景的明亮区域方面表现良好，但在较暗区域却无法产生相同的质量。动态范围不足会导致图像质量下降。

在实际摄影中，动态范围至关重要，因为场景通常包含大范围的亮度水平。例如，在同一张图像中捕捉明亮天空的细节和较暗前景的细节，对于没有高动态范围相机的设备来说可能具有挑战性。高动态范围（HDR）相机可以在阴影和高光中捕捉更多细节。在图像质量测试中，通过测量动态范围来评估相机捕捉这些不断变化的照明条件的能力。

图 1：动态范围如何影响图像质量的示例

实际应用案例

手机相机的动态范围

车载相机需要卓越的动态范围，尤其是在高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶车辆中。它们还必须在极端照明条件下可靠运行，例如从黑暗隧道过渡到明亮阳光下，或在夜间驾驶时，车头灯和路灯造成高对比度场景。

图 2：动态范围在车载系统中的影响。在左图中（进入隧道），左侧人行道上的行人由于光线不足而不可见，但进入隧道后（右图）他们变得可见。

了解动态范围

确定相机系统动态范围最关键的一步是获取 OECF（光电转换函数）。OECF 描述了相机如何将变化的亮度水平（光学输入）转换为电子信号（数字输出）。

一旦获取了 OECF，就可以确定相机系统的动态范围，即系统可以再现的最大和最小对比度。除了动态范围，OECF 在获取场景中不同灰度级别的信噪比方面也至关重要。它还可以提供有关白平衡、相机 ISO 感光度和图像是否应用了色调校正的信息。校准良好的 OECF 确保相机准确捕捉大范围的色调，这对于实现高动态范围至关重要。

确定 OECF

有两种方法可以获取相机系统的 OECF：焦平面法和基于场景的方法。这两种方法都通过各种传感器曝光生成 OECF。

焦平面

使用焦平面法的第一步是拆下相机镜头，使传感器直接暴露在光源下。一旦传感器自由，必须逐渐增加光源强度，以便相机能够拍摄例如灰度目标在多次曝光下的图像。OECF 可以通过绘制对数曝光值与平均数字值来获得。平均数字值来自相应的图像。

焦平面法适用于传统相机，因为镜头易于拆卸且曝光可控。然而，对于其他相机系统（例如手机），拆下镜头是不可能的；因此，不应使用焦平面法。

基于场景的方法

基于场景的方法不需要拆卸镜头，并使用灰度色块来确定 OECF。通常，灰度色块以圆形排列在 Test Chart 上，例如 TE264。每个色块的密度根据 ISO 14524 计算的参考值设置。一旦相机系统捕获图像，OECF 通过绘制每个色块的平均数字值与相应的对数亮度来确定。

图 3：OECF Test Chart 示例

重要的国际标准

ISO 14524

此 ISO 标准概述了测量相机 OECF 的方法，这与动态范围直接相关。它提供了关于如何设置测试环境、使用 Test Charts 和分析结果的指导。

ISO 15739

此标准侧重于数字相机中的噪声测量，这与动态范围密切相关。它描述了如何在不同信号水平下测量噪声，这对于理解相机在其动态范围内的性能至关重要。

ISO 21550

此标准侧重于电子扫描仪的动态范围测量方法，这些扫描仪常用于档案/文化遗产行业以保存文档和照片。

设置动态范围测试

测试相机系统的动态范围涉及标准化方法，以确保结果的一致性和可靠性。在我们的 iQ-Lab 中，我们使用标准中概述的程序，结合先进的测试设备和 Test Charts 来评估动态范围性能。

Test Charts

Test Charts 是动态范围测试中最常用的工具之一。这些图表通常由具有已知反射值的灰度色块组成，范围从亮到暗。通过拍摄灰度 Test Chart 的图像，可以根据相机在区分灰度色块方面的表现来评估其重现不同亮度水平的能力。

灰度 Test Charts 有多种布局，以适应不同相机行业的多样化要求。例如，我们提供 TE269 灰度图表，它将灰度色块以圆形布局组织，而不是像 TE259 Test Chart 那样使用水平布局的灰度色块。虽然这两种选择都可行，但圆形设计更为先进，因为它限制了渐晕/暗角的影响。

图 4：TE297 灰度 Test Chart

此外，我们还提供用于宽动态范围测量的灰度图表（TE297），它重新排列了色块的圆形布局，以最大程度地减少在测量更宽动态范围时经常出现的反射。我们还提供用于扫描仪的灰度图表（TE240）和多用途图表（TE42-LL），后者包含灰度目标和其他目标（例如色块和西门子星标），以在一张图像中测试多个图像质量因素。

Illumination 设备

我们的大部分灰度 Test Charts，尤其是那些采用圆形色块布局的，都是透明的，需要均匀的 Lightbox。我们提供，并且我们的 iQ-Lab 也定期使用 LE7 Lightbox，它由 iQ-LED 技术驱动。这项技术允许您生成自定义光谱，从而使用单一光源高效地在不同光照水平下进行测试（这对于动态范围测试至关重要）。

图 5：带有 OECF Test Chart 的 LE7 iQ-LED Lightbox

我们还提供 Vega 光源，用于根据 IEEE-P2020* 标准进行动态范围测量。该标准正在成为第一个国际公认的标准，它定义了车载图像质量性能的关键指标并建立了测试方法。其中一个指标是对比度传递准确性（CTA）。

我们使用 Vega 光源对车载级别相机中常见的极短曝光时间进行高精度测量。Vega 配备了专门的灰度图表（TE294）进行这些测量。此外，我们的 VLS（多功能照明系统）设备结合了多个 Vega，以创建更准确的场景，模拟车载相机系统在现实世界中会遇到的情况。车载相机系统必须严格测试这些指标，以确保车辆（特别是 ADAS 车辆）的高性能和安全性。

*免责声明：IEEE-P2020 工作组内部所含观点仅代表该工作组的观点，不一定代表 IEEE 或 IEEE 标准协会的立场。

图 6：带有灰度图表的 Vega 光源

从动态范围测量中得出的指标

通过测量相机的动态范围，可以得出几个指标，从而深入了解其图像质量性能。其中一些指标包括：

信噪比 (SNR)

SNR 衡量所需信号相对于背景噪声的水平。在动态范围的背景下，更高的 SNR 表示更好的图像质量，尤其是在弱光条件下。

曝光性能

此指标代表相机可以在不显着损失阴影或高光细节的情况下捕捉可接受图像的曝光范围。

色调映射

色调映射是将高动态范围图像映射到标准设备可显示范围的过程。色调映射算法的有效性通常与动态范围测量一起评估。然而，现代显示技术使得设备具有非常高的峰值亮度，可以显示高动态范围图像，因此需要不那么激进的色调映射。

评估测试结果

收集图像后，我们建议使用分析软件（例如 iQ-Analyzer-X）来评估您的测试结果。该软件完全基于 C++ 构建，是市场上最先进的图像质量分析软件之一。它提供高速分析，并兼容我们许多 Test Charts，包括上述讨论的那些。将您捕获的测试图像加载到软件中，并了解可以在哪些方面进行改进。对于动态范围，软件将指示相机难以识别哪些色块。

该软件的免费版本可在我们的网站上下载，因此您可以立即开始动态范围测量。

图 7：使用 iQ-Analyzer-X 评估动态范围性能

结论

动态范围是评估各行业相机系统图像质量的关键参数。从手机到车载相机，捕捉大范围的亮度水平对于在各种条件下提供高质量图像至关重要，甚至模拟宽泛的温度范围。使用灰度 Test Charts、均匀 Lightbox 和高级评估软件等工具理解和测量动态范围，可以帮助制造商和工程师优化相机性能并满足不同应用的需求。随着相机技术的不断发展并更加注重安全性（例如 ADAS 车辆），动态范围将仍然是追求更好图像质量的关键焦点。