动态范围Dynamic Range

电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器的动态范围通常指定最大可达到的信号除以相机噪声，其中信号强度由满阱容量决定，噪声是暗噪声和读取噪声的总和。随着器件动态范围的增加，定量测量图像中最暗强度（场景内性能）的能力也得到了提高。场景间动态范围表示当针对不同的视场调整探测器增益，积分时间，透镜光圈和其他变量时可以适应的强度光谱。 

光电二极管的大小部分决定了耗尽阱的大小-与相机噪声相比，更大的二极管具有更大的满阱容量。显微照相术中使用的现代CCD的典型二极管尺寸为4.5至24微米，相应的阱容量为20,000至600,000电子。读取噪声是在设备读出期间产生的所有噪声的组合。这包括来自输入时钟和固定模式的噪声，以及复位晶体管噪声和放大器输出噪声。读取噪声通常在CCD传感器随附的性能数据表中给出，典型值范围是在室温下工作的高质量芯片中10-20电子/像素，在用于科学成像应用的珀尔帖冷却CCD中降至2-5电子/像素。动态范围根据以下公式以分贝为单位表示：

动态范围= 20 × Log(Nsat/Nnoise)

其中N（sat）是线性满阱容量，表示为电子数，N（噪声）是读出噪声和暗噪声的总和，也表示为电子数。在高性能冷却CCD相机中，阱容量与单个光电二极管的大小成正比，因此，存储的最大电子数约为每个光电二极管横截面积的1000倍。因此，具有6.7 x 6.7微米光电二极管的CCD应有约44,900个电子（或空穴）的最大电荷存储容量（满阱容量）。在1 MHz的典型读取速率下，此CCD的读出噪声约为10个电子/像素，动态范围为44,900 / 10或4,490。为了利用此动态范围内可用的全部灰度级范围，相机应具有能够解析4096个灰度级的12位模数（A / D）转换器。控制读出噪声和暗噪声的大小是在这些设备中维持高动态范围的关键因素。

配备低噪声输出放大器的高性能冷却CCD传感器，适合用于显微照片的慢扫描成像，通常具有较低的读出噪声和更大的动态范围。例如，Marconi Applied Technologies CCD39-01传感器是背照式，帧传输CCD，其像素大小为24微米，带有分离的输出寄存器，可利用四路输出放大器。该设备的满阱容量可以达到300,000个电子。 CCD39-01与20 kHz（冷却时）的三个电子的读出噪声均方根（rms）相结合，能够产生大约100,000：1的动态范围。为了充分利用该CCD的潜力，应采用具有131,072灰度级的17位A / D转换器（尽管具有65,536灰度级的16位A / D转换器也将足够）。

特定CCD的动态范围取决于几个变量。暗电流受温度的强烈影响（图1），每8至10摄氏度加倍。在较高温度下，暗电流占主导，而在较低温度下，动态范围由输出放大器的噪声决定。在每个像素中收集的暗电荷量不仅取决于器件温度，还取决于积分时间和读出前的存储时间。噪声电平也与读出放大器的带宽成比例，该带宽受像素传输速率的影响，因此受时钟频率的影响。随着时钟频率的增加，暗电流和散粒噪声电子的数量相应减少，输出放大器和视频处理电子设备需要的带宽也更少。积分时间也会影响CCD的动态范围，如图1所示。总积分时间的增加会导致暗电流的增加，进而导致动态范围的减小，但是这种影响只有在积分时间超过5分钟才会发挥作用。

位深是指A / D转换器用于将模拟图像信息转换为能够由计算机读取和分析的离散数字值的可能灰度值的二进制范围。例如，最受欢迎的8位A / D转换器的二进制范围为2⁸或256个可能值（图2），而12位转换器的二进制范围为2¹²或4,096个值 ，16位转换器具有2¹⁶或65,536个可能值。 A / D转换器的位深决定了灰度级增量的大小，更高的位深度对应于可从相机获得的更大范围的有用图像信息。当信号以远远低于读出噪声极限建议的水平进行采样时，可获得更好的结果。例如，如果将Marconi CCD39-01与信号平均一起使用，可以使用18位（262,144灰度级）A / D转换器对262,144中的1个部分进行数据采样。但是，此设备的噪声水平统计数据表明，如果不进行信号平均，则无法准确测量图像数据的比例大于100,000分之一。显然，将16位或18位A / D转换器与Marconi CCD39-01芯片结合时将产生更好的结果。相反，事实证明，细粒度的彩色透明胶片Fujichrome Velvia可以产生不到10级的动态范围（1024级灰度）。

表1列出了用于存储数字信息的位数，灰度级的数值等效值和传感器动态范围的对应值之间的关系（以分贝为单位；一位等于大约6 dB）。如表中所示，如果一个0.72伏的视频信号由A / D转换器以1位精度数字化，则该信号将由两个值表示，二进制值0或1，电压值分别为0和0.72伏。在消费类和低端科学应用中使用的数字相机中的大多数数字转换器都采用8位A / D转换器，该转换器具有256个离散的灰度级（介于0和255之间）来表示电压幅度。然后将0.72伏的最大信号细分为256个步长，每个步长的值均为2.9毫伏。

位深和CCD动态范围

表1

为了获得可接受的视觉质量而必须生成的灰度级数量应足以使人眼无法识别各个灰度值之间的步阶。在理想的观看条件下，普通人眼能察觉到灰度图像的强度的“明显差异”约为2％。眼睛最多可以分辨出视频监视器强度范围内的约50个离散灰度，这表明图像的最小位深度应在6到7位之间（64和128级灰度；请参见图2）。

数字图像应至少具有8位至10位分辨率，以避免在图像处理过程中增加对比度时在增强图像中产生视觉上明显的灰度级差。在图3中可以看到减少灰度级数量对用光学显微镜捕获的数字图像外观的影响，图3显示了马铃薯（土豆）的黑白（最初是8位）图像。标本以各种灰度分辨率显示，从6位（图3（a）），低至5位（图3（b）），4位（图3（c））和3位（图3（d））。

具有10位（在高端型号中甚至为12位）分辨率特性CCD和CMOS图像传感器的改进的数字相机和具有8位分辨率的相机比，可以在更大的范围内显示图像。发生这种情况是因为适当的软件可以从较大的调色板（1,024或4,096灰度级）渲染必要的灰度阴影，以显示在计算机监视器上，而通常监视器以256阶灰度显示图像。相反，一个8位数字图像被最初由数字相机捕获的256阶灰级的调色板限制。在图像处理过程中，随着放大倍数的增加，软件可以选择最准确的灰度来再现放大图像的部分，而无需更改原始数据。当检查阴影区域时，这一点尤其重要，在阴影区域中10位数字图像的深度允许软件呈现8位图像中不会出现的细微细节。

模拟视频信号的数字转换所需的精度取决于数字灰度级与相机输出中均方根噪声之间的差异。 带有内部A / D转换器的CCD相机产生的数字数据流不需要在计算机中重新采样和数字化。 这些相机的高端型号中能够产生高达18位分辨率（262,144灰阶）的数字数据，并且不受RS-170视频系统的0.72伏信号的限制，并在更宽的模拟电压范围的A / D转换器上使用。 CCD相机的大数字范围的主要优势在于所显示的8位图像的信噪比改善以及可以宽线性动态范围数字化信号。

撰稿人
Kenneth R. Spring – Scientific Consultant, Lusby, Maryland, 20657.
Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.