动态范围如何大于传感器位深度？

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找到令我感到困惑的东西，所以我认为这里的人群可能会回答这个问题，因为它同时涉及相机和技术。

动态范围如何大于传感器位深度？

有人给我发送了Pentax K-5的DXOMark结果，该结果在最低ISO下显示了14.1 EV的动态范围。但是，由于传感器是14位的，因此这与我的直觉不符。奇怪的是，像CMOS传感器这样的线性设备可以捕获的DR多于位。它会不会有一个稀疏的动态范围，中间会跳过EV？

sensor dynamic-range bit-depth

— 伊泰
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“ 打印”选项卡下“动态范围”的DxO标记分数是插值的理论分数，而不是实际测量值。请阅读其网站上的页面，其中解释了分数及其计算方式。屏幕选项卡下的DR 是14位传感器的更真实的数字：13.44 EV。

— Michael C

看到这个答案和评论： photo.stackexchange.com/a/47512/15871

— Michael C

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《彩色剑桥》对此有很好的文章。如果传感器具有线性A / D转换器，则位深度将以14 EVs的动态范围作为理论极限。但是，如果它是非线性的，则位深度不一定是相关的。由此，我认为我们可以确定K-5中的传感器没有线性A / D转换器。

我可以说，根据个人经验，该传感器肯定具有巨大的动态范围。我设法恢复了K-5曝光不足的近8个光圈的图像。

— 约翰·卡文
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您确定在其余时间拍摄的不是ISO1600不是ISO16000吗？这将使图像刚好曝光超过4个光圈，而不是8个，并且事实上没有关联，您在ACR中使用了+4的曝光补偿。仍然令人印象深刻，我只想确保数字正确。

— Matt Grum 2010年

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是的，那是16000，我从序列（和被摄对象）中得到了另一张图像，它们具有相同的光圈和快门速度作为参考（我将其发布，但我并不在家得到它）。ACR仅允许对曝光进行4级调整，因此我也不得不将补光灯推至100以获取更多细节。嗯，也许我应该通过一些中间步骤来更新本文。我看到了一个类似的示例，故意将其停靠10个停靠点，这就是现在而不是在一月份触发我升级的原因。:)

— 约翰·卡万

+1，表示《剑桥彩色杂志》上的文章很棒。它在解释较大的photosite（较深的“井”）的价值以及它们如何影响动态范围方面做得很好。可能还应该注意，大多数传感器不是纯线性的，大多数传感器的A / D转换衰减。达到阴影和高光极限时的曲线（S曲线）。如您的文章所示，在RAW中，数字传感器可以捕获很多数据，以后可以恢复这些数据。

— jrista

@jrista-Color in Cambridge是我开始进行dSLR拍摄时最喜欢的摄影网站之一。我一直回头看他们，写得很好并且易于理解。

— 约翰·卡文

@约翰：同意。CinC是一个很棒的网站，并且其撰写水平非常好，对初学者和经验丰富的摄影师都非常有用。那是很难的事情。

— jrista

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动态范围如何大于传感器位深度？

动态范围是灵敏度曲线的线性部分上最亮和最暗强度之比的对数。可能还有其他定义，但通常是从两种强度的比率得出的，即场景的客观物理属性。这是一个实数。

位深度是用于量化连续变量的每个通道的位数。更高的位深度会在两者之间产生更多不同的灰色阴影。纯粹是关于如何在计算机内存中表示图像的问题。

动态范围反映了传感器可以记录的对比度。位深度反映了相机可以“给名字”赋予多少种不同的颜色。或相机可以将范围划分为几段。如果相机是标尺，则动态范围将是标尺的长度（的对数），位深度将是其边缘上标记的数量（的对数）。您可以将长度分成任意多的段。同样，位深度不必与动态范围相同。

如果动态范围是S EV，并且位深度是n，则意味着相机可以注册对比度至少为

$I_{max}/I_{min} = 2^S$

（如果您还使用传感器响应曲线的非线性部分，则实际上要多一些）。从理论上讲

$N=2^n$

灰色阴影。

我拥有一个可以写入12位RAW的紧凑型相机。尽管位深度很高，但其动态范围非常适中。您可以对相反的情况进行成像，当传感器可以记录高对比度的场景而不会出现过度和曝光不足的情况时，但是如果位深度很低，则该场景将以很少的中间颜色表示。

— 萨斯坦宁
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+1，好答案。提示：我相信您需要的单词代替“离散化”是“量化”：Quantize -verb：Math，Physics。将（可变数量）限制为离散值，而不是连续的值集。

— jrista

谢谢。我的英语是远远不够完善，但它似乎在计算和数学的世界离散化是当连续空间被替换与计算的目的等效离散空间更合适en.wiktionary.org/wiki/discretize（例如，一个真正的带有IEEE浮点值或整数的数字）。离散化是软件工程决策。对我来说，量化变量是一个变量，除某些变量外，所有其他值均被禁止。因此，“量化”听起来对我来说是一种身体上的限制。但是也许你是对的。

— 萨斯坦宁

从技术上讲，传感器会将光“量化”为特定的，物理上受限制的“存储桶”。如果我们假设使用12位RAW图像，则可以“离散化”为4096个离散的“量子”。离散化意味着您可以使用传感器将实际空间协调为可变数量的离散空间，离散空间是固定的，并且只能将4096个特定的离散值转换为模拟空间。这可能是有争议的，但是我认为量化在这里更适用。;）

— jrista

好。我相信。

— 萨斯坦宁

@jrista在讨论英语时，您想要的单词是“离散”而不是“离散”。

— 锥杀手

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首先要明确的是，动态范围与噪声成反比关系-低噪声（所有其他条件相同）会导致更大的动态范围。噪声主要来自传感器电子设备（读取噪声，暗电流噪声），光的离散特性（光子/散粒噪声）以及从模拟到数字的转换（量化噪声）。

DXO标记动态范围得分基于使传感器饱和所需的光强度与SNR达到1：1的光强度（即信号等于噪声的点）之间的差值

您可能希望在没有散粒噪声和读出噪声的情况下，具有线性响应的传感器的DR会等于位深度。在存在这些噪声源的情况下，鉴于K-5的得分，这向我表明，图像管线具有中等程度的非线性（所有传感器都具有一定的固有非线性），可能采用这种方式设计以增加动态范围。

非线性有助于逃脱位深度限制，避免在色调曲线中其他位置（尽管可能不那么重要）中丢失的阴影中的渐变获得的位。没有免费的午餐！

关于K-5，该类产品在低ISO感光度方面处于领先地位，这主要由读取噪声决定。非常高兴看到制造商将注意力转移到这个领域，这完全值得关注，但是在较高ISO感光度下的动态范围受光子噪声支配，而光子噪声只能通过捕获更多的光来抵消，因此大型传感器始终在这里具有优势。因为有些人主要拍摄ISO400及以上，所以值得牢记这一点！

— 马特·格鲁姆
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我同意，在ISO80上，K-5令人赞叹，可以与中等画幅和全画幅很好地堆叠在一起，以适应较低的ISO范围。随着ISO开始跳跃，它开始失去领先优势。但是，它仍然设法保持非常接近，因此对于Sony（制造传感器）和Pentax（实施传感器）来说，这是相当大的成就。D7000具有非常相似的特性，因为它是同一传感器的变体，尼康在其实现方面做得很好。

— 约翰·卡文

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“动态范围”（DR）不是绝对特性。

DR的最粗略定义是“传感器可能记录得很好的最亮和最暗灰度强度之间的比率”。

数字传感器的DR是从两个测量值得出的：

在给定的色温下（对于最敏感的通道）削波强度（DxO最有可能使用D65）；
产生边界噪声的强度（即，如果噪声更深，则是不可接受的）。

然后，您有两种计算数字图像DR的方法。

愚蠢的方法是使用像素数据来计算噪声（DxO站点上的“屏幕”测量）。如果以此方式用X位ADC计算线性传感器的DR，则它绝不会比X EV大。
智能方式（这是比较来自不同分辨率相机的照片的唯一可能方式）是在计算噪声（DxO上的“打印”测量）时考虑分辨率。DR不受这种方式的ADC限制，可以潜在地制造具有更大传感器和相同ADC的摄像机，并且其动态范围也更大。

因此，您将找不到以EV表示的“屏幕” DR超过以位表示的ADC分辨率的任何摄像机。

对其他答案的评论：

由此，我认为我们可以确定K-5中的传感器没有线性A / D转换器。

没有开发具有非线性A / D转换的数字传感器。相机执行的每个色调转换（包括电影摄影机的特殊输出模式，尤其是Sony A7系列的输出模式）都是使用离散数据进行的。

柯达DCS Pro 14n具有双斜率ADC操作模式，其中输出是分段线性的。

在存在这些噪声源的情况下，鉴于K-5的得分，这向我表明图像管线具有中等程度的非线性

K-5的响应非常平坦（与其他任何相机一样，唯一可能是柯达DCS Pro除外）。我自己测量过。

注意：DxO Labs不会调整大小或打印任何内容以进行“打印”测量，而是在公式中使用分辨率系数。旁注：在本文中，“线性”不是“对数”。

— 尤里·平霍尔（Euri Pinhollow）
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