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相机的宽容度是什么意思?

相机的宽容度是指相机对明亮的场景,和灰暗的场景适应能力。一个场景含有很明亮的部分,又含有灰暗的部分,相机对这两部分都能做到有良好的层次细节的记录,那么这部相机就具有良好的宽容度。摄友们对宽容度概念的理解是一致的,但是对影响宽容度的因素认识存在不同的差异。下面说的都是科普常识,有的人对此不感兴趣,有人太忙无暇浏览,可以离开,不必往下看了。

有人说,大画幅宽容度好,有人说记录位深,比如12位比10位宽容度好等等,这些说法不是十分准确。到底什么因素影响了宽容度呢?

数码相机,CMOS是由非常多的光电二极管构成的,它的特性曲线如下图。


水平表示它得到镜头的光多少,右边多,左边少。垂直表示在光能作用下输出的电信号,上边信号大表示亮,下边信号小表示暗,那条线就是光电二极管在不同光量条件下输出电信号多少。

图中曲线左侧一段低沉平缓,表示图像黑暗缺少层次,右边一段高台平直,表示图像死白没有细节。中间这段表示光电二极管随着光量改变,电信号也成比例改变,图像优秀,这段越宽,宽容度越好。

下面说说左侧曲线低沉平缓如何形成的。物体由分子构成,分子由带正电的原子核,和它外围围绕它运转带负电的电子构成的,正负电吸引达到平衡,电子受到其他能量激励,比如光能,当电子得到光能量达到一定水平,打破了这种平衡,在电场作用下电子离开原子核,出现了电流,(这就是水平轴,光能离开原点一段距离电信号才直线上升的原因)。光照不强时,只有离原子核最远的外层电子,原子核束缚能力最弱,电子受到一点点激励,就能离开了原子核形成电流,但是电流很小,造成曲线低沉微微上升。

曲线右边如何出现高平台呢?产生的原因可能有以下几点: a,输出电信号饱和了。b,输出的电信号即将超过安全允许量值,(热伤害,电击穿)。c,模拟信号转换成数字信号,就是A/D变换(ADC),信号值超过基准参考值以后测不出来了,恒定不变。这三个因素,任何一个都会影响高端产生平台。从曲线可见,低端虽然低平,但还有点斜度,还能保存一小部分图像细节,可是高端就是水平直线了,图像细节损失殆尽,后期也很难恢复,这就是说,宁肯欠曝,也不要过曝。有经验的摄影师,对此都深有体会。

如何改善包容度,有人说增大光电二极管面积(增大每个像素面积,也就是大画幅,低像素),会提高低端曲线斜率,压缩了暗区范围,对宽容度改善有益,但是高端饱和也会提前到来,整体宽容度改善不显著。

有人说,位深(A/D变换级数多)宽容度好,这种说法不准确,A/D变换是在光电二极管得到电信号之后变换的,在这之前宽容度已经受到了制约,比如二极管输出最大4伏电信号,模数变换是对这4伏进行变换,8位就是2的8次方,256个等级,每个等级大约15豪伏,10位就是2的10次方,1024个等级,每级大约1豪伏,12位有4096个等级,每级0.24豪伏。位多,信息量剧增,图像层次也越丰富,但对宽容度影响甚微,可是对相机,计算机处理用时间可就多了,就需要耐着性子了,储存卡也得大容量的。有人以为A/D变换每个台阶宽度相同,台阶多了,整体宽度就大了,这种理解是不对的,实际上,是整体宽度不变,只是台阶小了,A/D变换的级数决定了数字仪表的精度,决定数码相机图像细节层次。

可变增益放大器(变跨导放大器),低端小信号放大量大,提高了暗区图像层次,高端大信号放大量小,延缓大信号饱和,这是人们希望的增加宽容度的方法,但是放大器设计复杂一些。


图中细线表示原来光电二极管的光电特性,粗线表示可变跨导放大器补偿后理想的特性,补偿后宽容度2明显好于没有补偿宽容度1,当然这只是理想希望。


CMOS由像素构成,每个像素由红绿蓝3个光电二极管,2400万像素,就有7200万个二极管,还有至少7200万条引线,这些都挤在一个层面上,密度高光电二极管做不大,热容量小,不仅影响暗光层次,还影响高亮信号散热,宽容度受影响。背照堆栈结构CMOS,光电二极管设计在一层,面积可以做的最大,信号好了,横向引线在下一层,竖向引线在另一层,还有其他的层,不拥挤了,热容量大增,宽容度得到明显改善。

还有那些A/D变换器,基准参考源数值高,供电电压高,CMOS散热好的相机,宽容度不会太糟糕。

你买了相机,宽容度对于你来说就是固定了的,好也不必自喜,坏也不必伤心,因为有补救办法,就是当你遇到宽照度场景时,你过曝一张,正常曝光一张,再欠曝一张,取过曝光暗部图像细节,取正常曝光,大部分图像细节,取欠曝光亮部分的细节,三者合成一幅明暗都理想的图片,这就是HDR模式,现在绝大多数相机都有这种模式,你大胆应用就行了。

我不是相机的设计者制造者,只是说点科普常识,不一定准确,不要喷,欢迎讨论。

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