数码相机的宽容度

标题: 动态范围指标的实用化--数码相机宽容度的理论和实践

目录：

一、动态范围的概念
二、相机宽容度的概念
三、数码相机宽容度的测算及验证和使用方法
四、通过佳能EOS 1DX相机实拍分析验证相机宽容度数据
五、30个型号数码相机宽容度数据

正文

一、动态范围的概念

一般来说，动态范围指标衡量的是相机在亮部和暗部记录细节的能力。然而，动态范围也是一个有着多种不同含义，十分混乱的概念。

在传感器技术领域很常见的一种定义，是用传感器满井容量（像素达到饱和时能容纳的光电子数量）与读出噪声（全黑拍摄时的平均噪声水平）之间的比值作为传感器的动态范围。这是一种完全面向半导体工程技术人员的定义，对相机使用者并无直接帮助。

DXO以RAW文件中测量的输出信噪比，定义了它自己的动态范围概念。

信噪比衡量的应该是信号相对于噪声的强度，这个数值越大，表示信号相对于噪声越强，越能够准确还原场景中物体的原始信息。信噪比本身是一个比值，一般常用分贝（dB）为单位表示，其转换的公式是SNRdb=20*log10(SNR)，比如SNR=1:1对应0dB，SNR=10:1对应20dB，SNR=40:1对应32dB。

DXO使用的输出信噪比测量方法，是在某一个均匀光照的区域，对相机输出图像（在RAW文件中）进行测量，以该区域各像素平均灰度值为信号，以各像素灰度相对于平均值的标准偏差为噪声，两者的比值就是这个灰度值对应的信噪比SNR。然后再按上述方式转换为以分贝（dB）为单位。

在测量输出信噪比的基础上，DXO取信噪比0dB（相当于信号:噪声=1:1）作为下限，用完全饱和作为固定的上限，以这两个比值作为DXO动态范围指标。

DXO的动态范围概念在实用性上存在固有的缺陷。

在DXO发布的数码相机动态范围指标中，很多DSLR都在11档、12档动态范围以上，有一些相机具有13档甚至14档以上的动态范围。14档光比是什么概念？晴朗的白天大约是10000到20000lux照度，满月大约是1lux照度，14档等于16384倍光比，因此大致就是晴朗的白天和满月的夜晚之间的照度对比。很显然，能够在一次拍摄中，同时记录大晴天和满月下的细节，DXO评测过的相机没有一个能做到。相机使用者拿着DXO这个13档、14档的动态范围数据，面对具体场景仍然只能凭自己的经验去判断曝光控制效果。

也就是说，DXO给出的动态范围指标，除了一个惊人的数字，实际上并没有给相机使用者提供任何有实用意义的信息。

这是由于一个根本原因造成的：DXO动态范围的基础是测量输出信噪比，这个数据在很低的亮度下，不具有实用价值。

首先，DXO计算动态范围的下限，基本上相当于每个像素只能接收到几十个甚至几个光子的能量（例如，DXO给出D800的动态范围下限是0.01%灰度比例，D800传感器满井容量约45000个光电子，因此0.01%相当于4.5个光电子，考虑其量子效率QE是56%，也就是对应8个入射光子能量），在这个量级，完全无法提供场景中物体的有意义的信息，包括细节、层次、色彩。

其次，DXO使用的信噪比概念上就不适合描述过低亮度下的误差情况。DXO的信噪比定义可参看下面的截图。



从上述红线标出的定义可以看到，这种测量输出信噪比得到的数据，并不是相对于原始信号的记录误差，而是一个输出区域的平滑程度。从理论上说，与是否准确记录了入射光线信息，以及更进一步，是否准确还原了物体的信息，没有直接关系。

这个定义里，作为信号（也就是分子部分）的是各像素输出平均灰度值，这是相机经过一系列处理以后输出的数据，是包含了原始信号与噪声信号的一个混合体，简单来说，也就是：

平均灰度值 = 原始信号值 + 噪声平均值

因此，只有假设各像素在记录原始光信号时噪声（误差）的总平均值是0（也即正负误差可以相互抵消），这个平均灰度值才能逼近原始光信号值，这时从输出测量的信噪比数据，才能够反映各像素记录原始光信号的误差情况。

也就是说，DXO使用的信噪比概念，需要这个额外的“噪声平均值为0”假设，才能让它的信噪比与信息还原产生关联。

而这个假设，对于半导体传感器并不能完全成立。

在入射光信号相对较强的区域，相机的电路噪声起的影响很小，输出的噪声主要由光量子噪声构成，也就是由于光的量子特性，相同光照到达各个像素表面存在一定的随机性而引起的不均匀分布。这种光量子噪声的理论上服从泊松分布，可以用正态分布的模型予以量化，这个模型在样本数量足够大的情况下，各像素的误差平均值为0。

因此，在光信号相对较强的区域，前述噪声总平均强度为0的假设成立，输出信噪比可以作为一个很好的近似值来反映相机还原实际景物的准确性。

但是，在入射光信号较小的暗部区域，这个假设就不成立了。由于数码相机的特性，即使入射光信号为0，相机的电子电路仍然会产生固有的噪声。这个噪声幅度虽然很小，但在入射光信号很低时，仍然是不可忽视的，在这种情况下，DXO的信噪比只能反映输出区域的平滑程度，无法准确反映相机输出数据对原始信号的误差情况。

另外，根据DXO网站上的介绍，其测量过程是用相机拍摄一个噪声测试模板。很显然，这个拍摄过程是需要镜头的，而为了避免不同镜头通光性能对测试结果的干扰，DXO必须提前测量镜头的数据，然后用程序进行校正。考虑到DXO测试结果的暗部，基本上只对应每个像素接收几十个甚至几个光子的能量，这种镜头校正计算误差的影响，也是必须予以考虑的。



最后，测量输出信噪比的另一个潜在的问题是，容易受到数码相机内部数字降噪处理的影响。比如SONY的传感器就包含了专门针对暗部的数字降噪处理（详见我的另一个帖子通过一篇SONY论文分析SONY传感器DXO暗部信噪比很高的原因），这种处理能够在不影响分辨率的情况下，改善暗部噪声表现，对用户也比较方便，但这样测量出来的数据并不能完全反映相机的真正能力，毕竟在外部通过软件的后处理进行降噪，也可以对暗部画质有一定改善。

总之，由于以下原因，DXO提供的动态范围数据，并不具有实用价值：

1、暗部只有几十甚至几个光子的能量缺乏有意义的细节表现能力
2、在入射光信号很小时不能反映相对原始信号的误差情况
3、容易受到测量和计算误差的影响
4、容易受到暗部数字降噪处理的影响

二、相机宽容度的概念

在胶片相机的时代，胶片宽容度是一个被普遍使用的概念。其含义是能正确还原场景的最大和最小亮度的范围。下图是一个典型胶片曝光特性曲线的例子。在图中，横坐标是以10为底的对数曝光量，纵坐标是以10为底的对数密度。



胶片特性曲线一般分为三部分，趾部，直线响应区和肩部。趾部、肩部虽然也能对光线作出一部分响应，并不是完全无响应或完全过曝，而且有些专业人士还非常擅长从趾部和肩部还原信息，但是，由于趾部和肩部存在严重的影调或细节失真，不能很好再现实际场景，因此作为一个普遍接受的概念，仍然只有胶片的直线响应区被认为是胶片的宽容度（上图中Film Latitude对应区域）。

在实际拍摄中，使用者只要掌握了所使用的胶片宽容度，就可以根据场景的光比情况，决定如何进行精确的曝光控制，让自己感兴趣的细节的曝光范围落在胶片宽容度的范围内，从而获得需要的拍摄效果。

很显然，胶片宽容度是以场景还原能力为基础来定义的，因此是一个对相机使用者具有很大参考价值的实用指标。

在数码时代，虽然摄影工具发生了很大变化，但相机宽容度这个概念，仍然是很重要、很实用的。

作为一个一般性的概念，相机宽容度是一个允许的曝光范围，曝光控制在这个范围内的景物，最终都可以还原出可接受的画质。

什么是可接受的画质？有多种不同的模型衡量这个标准。由于目前DXO提供的Full SNR数据是网络上包含相机型号最多，并且准确性经过验证的信噪比数据，因此目前仍然只能以这个信噪比数据为基础。

与此有关的一个理论是罗斯判据（Rose Criterion），基于光量子噪声呈正态分布的模型，计算出要超过50%概率从背景中识别物体，则需要物体的信号强度超过背景噪声的5倍（如下图所示），即SNR>5（约14dB）。



而在ISO12232国际标准中，则规定了SNR=10:1（20dB）作为最低可接受画质，SNR=40:1（32dB）作为最低优秀画质。



经过综合分析，决定以ISO12232标准为基础，按照20dB和32dB两个标准来进行测算，分别作为可用画质宽容度以及优秀画质宽容度的标准。

可用画质宽容度和优秀画质宽容度，各自对应了一个可允许的曝光范围，在这个曝光范围内的主体，其画质分别可达到可用和优秀的标准。

这个标准是按100%像素下显示计算的，没有考虑缩图对画质的影响。

缩图能带来噪点表现改善，在原图锐度不足时，还可以改善视觉锐度（关于视觉锐度可参考我的专门帖子视觉锐度的概念和基本计算方法）。但是，缩图也会损失分辨率和细节。

缩图改善了噪点表现，按DXO的信噪比公式，让一个区域更平滑，就相当于提高了信噪比。从数学上的确是这样，对一组样本进行均匀的平滑重采样后，总平均值不变，标准差减小。但是，这个过程中，作为信号的平均值是不会改变的，这意味着无论怎么缩图，被噪声污染的灰度值保持不变，仍然是被污染的状态，无法还原出真实的信息。

下图是一个实际例子，是IR上下载的D800拍摄Xlite ColorChecker Digital SG标板的测试照片。最左边是ISO100下100%像素截图，作为原始场景信息用于对比。中间是ISO25600下100%像素截图，最右边上面是将ISO25600的原图缩小到1/4后的截图，下面是缩小到1/16后的截图。重点是各截图中心部位的黑色方块，对应在原标板上是K8号色块，在ISO25600原图中大约信噪比是4dB，缩小到1/16后按DXO的信噪比已经达到16dB，大大提高了，继续缩图还能够继续提高，然而，很明显，这个缩图过程并没有改善任何真正的细节表现。



也就是说，平均像素缩图能够改善像素亮度分布的离散程度，改善DXO定义的信噪比，但这只是在数学定义上减少了像素分布的偏差，并没有对信号本身的质量做任何改善。其画质跟真正从相机获得的相同信噪比的图像完全无法相比。

从这一点也可以看出，DXO定义的信噪比存在的局限性，相同信噪比下，其画质的内涵并不相同。

同时，一张照片能够缩图的大小，要受到诸如照片实际分辨率（与镜头和相机系统都有关系，不等于相机的物理像素）、缩图算法、降噪和锐化后期处理等多种因素的影响。考虑镜头+相机作为一个系统的分辨率，与相机的物理像素总数有很大差距。

比如，下图列举了DXO提供的Sigma 120-400镜头（目前唯一在尼康和佳能新机型上都测试过的镜头，尼康包括D800/E、D600、D4，佳能包括1DX，没有5D3和6D数据），配置在不同机身上的镜头测试结果。测试结果中用红框标出的是分辨率数据（单位是P-Mpix视觉百万像素）。



可以看到，这个镜头配合3600万的D800、2400万的D600和1800万的1DX，获得的是相同的实际分辨率，那么很显然这种配置下，D800也并不具有缩图的优势。而1800万的1DX分辨率明显高出1600万的D4，D4只相当于1200万像素级别的相机，这种配置下1DX确实具有更大的缩图优势。

因此，在分析相机宽容度时，目前暂不考虑缩图问题，由使用者根据自己的经验判断。

相机宽容度指标避免了前述DXO动态范围指标的主要缺陷，可以为相机使用者提供一个更实用的指标。

1、DXO动态范围的缺陷：暗部只有几十甚至几个光子的能量缺乏有意义的细节表现能力
现在改成以20dB为可接受画质的下限，保证了在暗部也有足够的曝光量，可以比较准确的还原物体的细节，得到有意义的细节表现能力。

2、DXO动态范围的缺陷：在入射光信号很小时不能反映相对原始信号的误差情况
信噪比达到20dB，信号相对于噪声超过10倍以上，噪声平均值对原始信号还原的影响大为降低。

3、DXO动态范围的缺陷：容易受到测量和计算误差的影响
用于计算判断的区域亮度提高，对测量和计算精度要求放低。

4、DXO动态范围的缺陷：容易受到暗部数字降噪处理的影响
基本上不会有相机在这个区域进行RAW文件的降噪，这将会直接影响细节分辨能力，并且很容易被感受。比如虽然大部分SONY相机在较高ISO下对红绿通道进行了额外降噪处理，但绿色通道直接关联分辨率，没有进行额外降噪。而DXO提供的Full SNR数据是在绿色通道上进行测量的，因此可以最大限度避免机内数字处理的影响。

5、DXO动态范围的缺陷：按物理像素数量进行简单的缩图增益不能反映实际情况

相机宽容度指标，可以让相机使用者根据场景的光比情况，确定安全的曝光宽容度，从而决定准确的曝光控制。

比如，某个相机的宽容度是7档，而感兴趣的场景光比只有5档，显然，可以完全包含在相机宽容度中，为达到最优画质，可以采用向右曝光（将场景的亮部放在由宽容度确定的曝光范围的上限）。

如果感兴趣的场景光比达到10档，超出了相机宽容度，则使用者可以根据自己的经验和需求去选择，要么将一部分不那么重要的暗部场景放到宽容度以外，就如同胶片的趾部一样，虽然不能保证画质可用，但通过后期降噪等处理，也可以有一些细节保留下来，要么考虑考虑多张连拍包围曝光合成HDR。

可以用佳能5D3和索尼RX100为例说明一下相机宽容度指标和DXO动态范围指标的区别。

在DXO网站上给出的数据，ISO100下，索尼RX100的动态范围比佳能5D3高0.7档，然而，根据20dB测算的可用画质宽容度，RX100比5D3反而要低0.8档，根据32dB测算的优秀画质宽容度，5D3甚至要比RX100高2档。也就是说，DXO所显示出来的RX100较高的动态范围，实际上有很大一部分是处在无法还原出可用画质的极暗部，那么要想补偿曝光失误，或者用单张RAW文件制作HDR照片，很显然这些不可用的区域，即使有个模糊的影像，也是没有使用价值的。

总之，相机宽容度给了使用者一个清楚的范围，使其能在拍摄前就预估出整个场景不同亮度区域的画质表现。同时，也给相机购买者一个准确的信息，使其了解不同型号相机能够获得不同标准画质的有效曝光范围。

三、数码相机宽容度的测算及使用验证方法

根据前述概念，采用如下步骤测算某个型号的数码相机宽容度：

1、获取DXO上该型号相机的Full SNR数据
2、对该相机每个厂家标定ISO，分别计算达到20dB和32dB对应的最小灰度比例G20和G32
3、对该相机每个厂家标定ISO，计算可用画质宽容度为100/G20，优秀画质宽容度为100/G32
4、获取DXO上该型号相机的ISO Sensitivity数据
5、按照ISO Sensitivity数据调整实际ISO，得到可用于不同相机横向比较的宽容度指标。

在具体应用这个宽容度指标时，相机使用者首先要确定自己相机的曝光基准，也就是标准的正常曝光在宽容度中的起始位置。由于不同相机在设计时，其测光系统可能按不同标准校正（某些相机按18%校正，某些按12%校正），因此这个曝光基准在不同相机上可能是不同的。

比如，某相机在ISO100下的宽容度是7档，其曝光基准可能确定在4档，那么对于一个光比为1档的主体，能够获得可用画质的允许曝光范围就是：+2.5，+2，+1，0，-1，-2，-2.5。（假设把主体的中间亮度区域放在曝光基准点，主体其他亮度区域上下各占0.5档）

另一台相机同样宽容度是7档，其曝光基准可能确定在6档，那么对于同样的主体，能够获得可用画质的允许曝光范围就是：+0.5，+0，-1，-2，-3，-4，-4.5。总的可用曝光宽容度（等于相机宽容度减去主体光比）是一样的，但是曝光基准的起点不同。

在确定了曝光基准之后，相机使用者可以很容易验证这个相机宽容度数据。验证方法是：

选择一个亮度均匀的主体，分别拍摄曝光+3，+2，+1，0，-1，-2，-3，...等一系列照片，让其覆盖超出宽容度给定的范围1-2档，其中0代表标准曝光，+1代表增加一档，-1代表减少一档，然后通过对过曝照片减亮，欠曝照片提亮的方法，确定哪些照片中的主体，符合可用和优秀画质的标准。

这个过程，如果放在一次曝光的单张照片下，就相当于把一系列不同光照等级的相同主体，放在一张标准曝光照片中，然后对从过曝到严重欠曝的不同亮度局部，分别进行减亮、加亮调整，使其在视觉上与标准曝光主体处于接近亮度，以便于判断画质效果。

前述拍摄多张不同曝光照片，对比效果相同，可操作性上要简化很多。

需要指出的是，欠曝提亮最好在RAW处理软件中进行，生成JPG后再大幅提亮本身就会带来额外的画质损失。由于大部分常用RAW处理软件一般只提供有限的提亮范围（如Adobe Camera RAW只提供+-4档，由此也可略微看到软件厂家认为合理的提亮程度），因此需要在RAW处理程序中通过其它参数调节，比如亮度、对比度、或直接拉曲线等。

另外需要说明的一点是，传统上测试相机的动态范围或宽容度，经常使用的色阶标板由大面积的色块组成。这种标板在胶片时代还有一定的实用性，虽然其对应的空间分辨率很低，不能完全反映实际物体的情况，但至少还是真实的。在数码时代，这种测试非常容易受到机内数字处理算法影响，可以说，其几何形状决定了这种标板是理想的降噪算法应用对象。

在目前各种新的画质测试体系（如CPIQ）中，以低反差纹理对象取代了简单的色块标板。作为一般性验证测试，选取一个有不同纹理细节的主体，其实用性远高于简单的色块标板。

下面将通过对佳能EOS 1DX相机的实拍分析相机宽容度数据。

四、通过佳能EOS 1DX相机实拍分析验证相机宽容度数据

感谢西山邻语网友对本帖的大力支持，以下1DX的实拍照片均由西山邻语网友拍摄提供。

根据DXO提供1DX的Full SNR数据计算得到：

以20dB为下限计算ISO100下1DX的可用画质宽容度是：7.6档
以32dB为下限计算ISO100下1DX的优秀画质宽容度是：5.1档。

以下是一组10张同一场景不同曝光的1DX照片缩略图。分别对应+3，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6。主体是一个玩具工程车，镜头是50/1.4，均使用F2.8，通过控制快门时间来改变曝光。



以下进行100%像素截图对比，选取的区域同时包含了一些小的纹理细节、大面积表面过渡区域和有一定反差的细小物体。

下图是第一组100%截图对比，最左边是标准曝光，左边第二张是+1-1（含义是拍摄时增加一档曝光，后期减一档），左边第三张是+2-2，最右边的是+3-3。所有照片在ACR里用Auto模板，然后手动调整曝光。通过对比可以清楚的看到，+1-1具有几乎完全相同的优秀画质表现，+2-2则已经出现局部过曝以及偏色，但还勉强可以看出主体特点，而+3-3则已严重过曝。综合判断，认为过曝可用的标准大致在+1和+2中间，按+1.5评估，实际上，过曝只要不太严重，可用和优秀几乎是同一个标准，因此优秀画质也按+1.5评估。



下图是第二组100%截图对比，最左边是标准曝光，左边第二张是-1+1（含义是拍摄时减少一档曝光，后期加一档），左边第三张是-2+2，最右边的是-3+3。所有照片在ACR里用Auto模板，然后手动调整曝光。通过对比可以清楚的看到，这三张都完全符合可用画质的标准。其中-3+3的塑料窗户上的痕迹，已经能看出一些噪声的影响，因此认为略低于优秀标准，优秀画质评估为-2.5。



下图是第三组100%截图对比，最左边是标准曝光，左边第二张是-4+4，左边第三张是-5+5，最右边的是-6+6。所有照片在ACR里用Auto模板，然后手动调整曝光，由于ACR只提供+4曝光调整，其中的-5+5和-6+6两张均通过调整亮度、对比度以及拉曲线提亮。通过对比可以清楚的看到，-4+4完全符合可用画质的标准，而-5+5则勉强处于可用画质的边缘，还能在整体上保持主体的特征。而-6+6虽然也能提供主体的一些信息，但明显受到噪声较大的影响。因此可用画质评估为-5+5。



总结以上照片，优秀画质的曝光范围是+1.5，+1，0，-1，-2，-2.5，一共5档。可用画质的曝光范围是+1.5，+1，0，-1，-2，-3，-4，-5，总计7.5档。从这个实拍例子可以看出，20dB确实是一个很实用的标准，低于20dB信噪比的画质，就如同胶片的趾部一样，即使还可以有一些影像的信息，但也只能作为背景或一种衬托，已经很难作为一个独立主体，去满足纠正曝光失误，以及单张RAW生成HDR对主体画质的需求。

实拍照片与计算结果取得了相当一致的吻合。

下图是根据DXO提供的1DX在ISO100下的Full SNR数据进行插值后得到的对应不同曝光量信噪比数据。第一行是对应增量曝光值，第一行是对应的灰度比例，第三行是信噪比SNR，以dB为单位。



以下是分别对上述实拍测试照片中的0，-1，-2，-3，-4，-5，-6测量背景墙壁的信噪比结果（过曝照片无需测量信噪比）。



可以看到，照片中的实际测量数据与DXO提供的数据有比较好的对应关系（由于实际物体测试和JPG经PS调整的原因，不可能精确相同），红线标志可用画质标准，绿线标志优秀画质，从前面的对应照片和正常曝光照片的差异，可以获得不同信噪比对应画质的直观概念。

结论：通过对1DX的实拍验证了相机宽容度的概念和数据测算是合理的，实用的，可验证的。

五、30个型号数码相机宽容度数据

以下数据ISO值均为厂家标定值，与相机的ISO设置保持一致。各档ISO下如果宽容度低于1档，则不予记录。

欢迎各位有条件的网友对这些数据进行实拍验证。

10个型号的佳能相机宽容度数据。

可用画质宽容度



优秀画质宽容度



10个型号的尼康相机宽容度数据。

可用画质宽容度



优秀画质宽容度



10个型号的索尼相机宽容度数据。

可用画质宽容度



优秀画质宽容度



以下内容由 spot 于 2013-2-24 07:32 补充
三个型号的中画幅相机宽容度数据。

可用画质宽容度



优秀画质宽容度



以下内容由 spot 于 2013-2-24 14:59 补充
关于对RAW图像信噪比按20dB和32dB进行画质判断的理论依据详细推论：

1、ISO12232标准确定了对18%按信噪比20dB和32dB作为可用和优秀画质的判断依据；
2、对暗部提亮到正常曝光水平后就可以用上述信噪比标准进行画质判断；
3、数字提亮不会改变信噪比；
4、因此对原始图像按同样的信噪比标准进行画质判断，等同于对提亮后的图像进行画质判断；

结论：对原始图像信噪比建立的20dB和32dB判断标准，可以准确反映暗部提亮后的画质情况，而且也具有充分的实用价值。

举个例子，曝光失误，主体欠曝了3档。那么，这个主体提亮后还能不能作为一张照片拿出来？DXO的动态范围对此毫无帮助。而可用（优秀）画质宽容度则可以准确地回答这个问题。如果主体曝光，落在可用（优秀）画质宽容度范围内，那么提亮到正常亮度，那个主体仍然可以达到可用（优秀）画质，否则就不行。

再比如，想用一张RAW拍摄高动态场景，后期按不同曝光调整输出，再合成HDR去反映场景中尽可能多的细节。DXO的动态范围也同样毫无意义。可用（优秀）画质宽容度指标，在拍摄前就能清楚知道，根据这个场景的光比，哪些区域可以记录下可用（优秀）的细节，哪些不行，从而做出更理想的拍摄安排。

以下内容由 spot 于 2013-2-24 15:01 补充
总之，数码相机宽容度体系，其目的并不是打算解决相机画质评测的所有问题，而是为了解决相机实际使用中的画质和曝光范围的关系。
以下内容由 spot 于 2013-2-24 21:08 补充
上面关于三个中画幅的优秀画质宽容度，图链接错了，应该是：



为我的疏忽道歉。

以下内容由 spot 于 2013-2-26 00:35 补充
感谢ck999km网友对本贴的大力支持，以下5D3和RX100的测试照片，均有ck999km网友拍摄并提供RAW文件，我在RAW文件的基础上用ACR对其进行了亮度调整处理。

需要说明的是，我是按照选取的主体明暗程度确定了曝光基准，在此基础上编排为+1、-1等不同名称，不同的曝光基准会改变+-的相对数值，但总的可用画质宽容度范围不变。

这是一组5D3的同一场景，不同曝光的测试照片，ISO100，F3.2，曝光时间从1/800秒到1/3秒，对应-5到+3共9级不同曝光照片。




以下内容由 spot 于 2013-2-26 00:37 补充
以下进行亮度调整后的100%像素对比。

下图是过曝的对比。最左边是标准曝光，中间是+2-2（过曝2档再减亮2档），右边是+3-3。可以看到，+2-2具有完全的可用性，与标准曝光几乎具有完全相同的画质和细节。而+3-3则出现了明显的过曝迹象。因此评估过曝部分的可用范围是+2.5。



下图是欠曝的对比。最左边是标准曝光，中间是-4+4（欠曝4档再提亮4档），右边是-5+5。可以看到，-4+4还能够基本保持主体的特征，而-5+5则受到了噪声的明显影响。因此评估欠曝部分的可用范围是-4。



因此5D3这组测试照片，反映出来的可用画质宽容度是，+2.5，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，总计7.5档。

与我提供的数据分析基本一致。

以下内容由 spot 于 2013-2-26 00:48 补充
这是一组RX100的同一场景，不同曝光的测试照片，ISO100，F42，曝光时间从1/500秒到1/4秒，对应-5到+2共8级不同曝光照片。



以下进行亮度调整后的100%像素对比。

下图是过曝的对比。最左边是标准曝光，中间是+1-1（过曝1档再减亮1档），右边是+2-2。可以看到，+1-1基本可用，虽然有一点轻微的色彩差异。而+2-2则出现了明显的过曝迹象。因此评估过曝部分的可用范围是+1.5。



下图是欠曝的对比。最左边是标准曝光，中间是-4+4（欠曝4档再提亮4档），右边是-5+5。可以看到，-4+4还能够基本保持主体的特征，而-5+5则受到了噪声的明显影响。因此评估欠曝部分的可用范围是-4。



以下内容由 spot 于 2013-2-26 00:49 补充
因此RX100这组测试照片，反映出来的可用画质宽容度是，+1.5，+1，0，-1，-2，-3，-4，总计6.5档。

我提供的数据分析RX100是6.3档，基本一致。

这个差异应该是由于对过曝的+1.5可用性，是人为估计的，考虑到RX100在+1时已经有轻微的色彩差异，因此可能达不到+1.5。

从上面的对比可以看出，虽然DXO上ISO100下RX100的动态范围比5D3高将近一档，但如果考虑曝光不正常进行亮度调整后画质的可用性，5D3的可用画质宽容度反而比5X100高1档。

因此，从实用的角度上来说，即使只考虑ISO100，5D3不正常曝光拉回亮度，并且保证画质可用的能力更高。

以下内容由 spot 于 2013-2-28 13:46 补充
有些人可能对胶片时代宽容度的概念还不熟悉，我引用几个柯达公司的资料，说明一下。

第一份标题是EXPOSING FILM（胶片曝光），原文连接是http://motion.kodak.com/motion/u ... Ess_13_Exposure.pdf。

Latitude, in a photographic process, refers to the range of exposure that can be considered correct or useful.

意思是，宽容度在摄影过程中是指能得到正确或可用的曝光范围。

第二份标题是BASIC SENSITOMETRY AND CHARACTERISTICS OF FILM（胶片的感光测量和特性），原文连接是http://motion.kodak.com/motion/u ... ristics_of_Film.pdf。

Latitude in exposure is the permissible change in camera exposure that can be made without a significant effect on image quality.

意思是，宽容度是在不显著影响画质的前提下能够允许的曝光变化。

以下内容由 spot 于 2013-2-28 13:47 补充


可见，作为一个严格的概念，宽容度从来都是由画质可用性决定，从来都不是由什么能记录的最亮和最暗来决定。

以下内容由 spot 于 2013-2-28 20:42 补充
这是从柯达1999年版摄影术语定义（Eastman Kodak Corporation: A Glossary of Photographic Terms）中，节选的关于曝光宽容度概念。

原文是：

Exposure latitude
The range of camera exposures from underexposure to overexposure that will produce acceptable pictures from a specific film.

曝光宽容度
相机使用某个特定的胶片，仍然能产生可接受照片的欠曝到过曝的范围。



以上资料已经充分说明，宽容度是一个与画质可用性直接关联的概念。

在本贴中，使用ISO12232中规定的SNR=10:1（20dB）以及SNR=40:1（32dB）为可用（优秀）画质信噪比下限，通过对DXO提供的Full SNR数据的处理，推算出了不同型号数码相机的可用（优秀）画质宽容度，并通过一系列实拍测试具体验证了相关数据的合理性和实用性。

以下内容由 spot 于 2013-2-28 20:43 补充


以下内容由 spot 于 2013-3-2 01:30 补充
感谢Sodisnie网友对本帖的大力支持，以下D5200的测试照片，均由Sodisnie网友拍摄提供，我在RAW文件的基础上用ACR做了亮度调整。这是第一台NIKON单反参加本贴的实测。

这是一组D5200的同一场景，不同曝光的测试照片，ISO100，F4.5，曝光时间从1/1250秒到1/3秒，对应-6到+3共10级不同曝光照片。



以下进行亮度调整后的100%像素对比。

下图是过曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是+1-1（过曝1档再减亮1档），左边第三张是+2-2，最右边是+3-3。

可以看到，+1-1具有完全的可用性，与标准曝光几乎具有完全相同的画质和细节。+2-2基本可用，但出现了一些轻微的由于过曝而引起的色彩变化，色彩有点变浅发白。而+3-3则出现了明显的过曝迹象。

因此评估过曝部分的可用范围是+2。



以下内容由 spot 于 2013-3-2 01:36 补充
下图是欠曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是-4+4（欠曝4档再提亮4档），左边第三张是-5+5，最右边是-6+6。

可以看到，-4+4能够保持主体的特征，而-6+6则受到了噪声的明显影响，从细节到色彩都有较大损失。-5+5虽然也受到了噪声的影响，但还能够保持主体的基本特征，从下方紫色字母的色彩可以看出，-5+5色彩还原基本正确，而-6+6由于噪声的干扰已经偏色严重。

因此评估欠曝部分的可用范围是-5。



因此D5200这组测试照片，反映出来的可用画质宽容度是，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，-5，总计8档。

与我提供的数据基本一致。

以下内容由 spot 于 2013-3-2 01:39 补充
从前面的实测还可以看出，噪声不仅仅是影响画面的噪点表现，而且也会影响画面的细节表现，层次表现，以及色彩表现。这些影响在这个测试中，表现为在正常曝光画质的基础上的相对下降，噪声水平达到一定程度后，这种下降就改变了主体的主要特征，使画质部可用。

这些噪声对画质的影响，通过缩图是不可能改善的。在主贴里进行了比较详细的分析，缩图可以改善信噪比，也就是噪点的表现，但不可能改善信号本身的质量，因此缩图不可能还原出更多的细节、层次，也不可能让错误的色彩变成正确的。

以下内容由 spot 于 2013-3-3 21:38 补充
感谢草原雪网友对本帖的大力支持，以下A77的测试照片，均由草原雪网友拍摄提供，我在RAW文件的基础上用ACR做了亮度调整。

这是一组A77的同一场景，不同曝光的测试照片，ISO100，F5.6，曝光时间从1/250秒到2秒，对应-5到+4共10级不同曝光照片。根据曝光的基准点+-0选择不同，具体的相对曝光偏移会有所不同，但总的宽容度数据是一致的。



以下进行亮度调整后的100%像素对比。

下图是过曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是+2-2（过曝2档再减亮2档），左边第三张是+3-3，最右边是+4-4。

可以看到，+2-2具有完全的可用性，与标准曝光几乎具有完全相同的画质和细节。+3-3出现了由于过曝而引起的色彩变化，色彩有点变浅发白。而+4-4则明显过曝。

因此评估过曝部分的可用范围是+2.5。



以下内容由 spot 于 2013-3-3 21:40 补充
下图是欠曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是-3+3（欠曝3档再提亮3档），左边第三张是-4+4，最右边是-5+5。

可以看到，-3+3能够保持主体的特征，而-5+5则受到了噪声的明显影响，从细节到色彩都有较大损失。-4+4也受到了噪声的影响，略低于可用标准，但大致还能够保持一些主体的基本特征。

因此评估欠曝部分的可用范围是-4。



因此A77这组测试照片，反映出来的可用画质宽容度是，+2.5，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，总计7.5档。

与我提供的数据基本一致。
以下内容由 spot 于 2013-3-4 22:35 补充
一组三星相机的可用画质宽容度数据。



以下内容由 spot 于 2013-3-14 22:55 补充
再简单解释一下优秀（可用）画质宽容度具体如何运用。

某个型号相机的使用者，在某一个ISO下，拍摄一张照片，假设场景的亮度范围从亮到暗相差非常大，那么，在这张照片里，从高光到暗部，按不同亮度分布了很多区域，一般来说，这些区域的画质可以分成6种情况，呈如下排列（按从亮到暗的顺序）：

1、高光严重过曝部分（高光细节、层次、色彩损失严重）
2、高光优秀画质（高光细节、层次、色彩保留完好）
3、正常曝光优秀画质（具有良好的细节、层次、色彩）
4、暗部优秀画质（暗部细节、层次、色彩保留完好）
5、暗部可用画质（暗部细节、层次、色彩有一定损失，但主要信息完整，还有补救余地）
6、暗部不可用画质（暗部细节、层次、色彩损失严重，无法作为主体看待，只能作为背景或陪衬）

主帖里提供的优秀画质宽容度、可用画质宽容度数据，说明了每个型号相机在不同ISO下能达到优秀画质（上述2、3、4部分）和可用画质（上述2、3、4、5部分）各自对应的曝光允许范围。

相机使用者根据这些数据和场景中不同区域的亮度分布，可以在拍摄前，有效控制曝光参数，让最重要、最感兴趣的部分落入优秀画质宽容度范围，让相对次要的落入可用画质宽容度范围，从而获得最佳拍摄效果。
以下内容由 spot 于 2013-3-16 01:52 补充
下图是一个优秀（可用）画质宽容度在实际照片上效果的示意图（按gamma=2.2调整）。

最右边的严重过曝区域左边，分别是过曝优秀画质区域、欠曝优秀画质区域，组成了优秀画质宽容度对应的曝光区域，信噪比高，层次之间有足够的灰阶表达细节，是画质最好的区域，主要的景物应尽量放在这个曝光区域。

再向左进入了欠曝可用画质区域，还能保持一定的可用画质，在要求不高以及不提亮输出的情况下，或者进行平滑缩图、降噪处理后，仍可获得较好的画质。这个区域加上优秀画质区域，形成了可用画质宽容度对应的曝光区域。

再左边则是欠曝不可用画质区域，这个区域的景物只能作为背景或陪衬存在，或进行较大的后期处理。



以下内容由 spot 于 2013-3-17 23:18 补充
下面这个内容来自尼康公司官方网站摄影术语定义，原文连接http://www.nikonusa.com/en/Learn ... Glossary/index.page

Latitude
The degree to which the exposure level can be varied and still produce acceptable results.

宽容度
曝光值可以调整的程度，在这个程度内仍然能产生可接受的结果。



以下内容由 spot 于 2013-3-17 23:25 补充
在本贴中，通过引用柯达公司、澳大利亚NFSA（国家音像档案馆）政府网站以及尼康公司的技术资料，充分证明了，无论是在胶片还是数码时代，宽容度的边界都是由可用画质的判断来决定的。

本贴根据ISO12232标准，按照SNR=40（32dB）作为优秀画质标准，SNR=10（20dB）作为可用画质标准，对数码相机宽容度作了定量分析。

主贴提供的优秀（可用）画质宽容度，表示了100%像素下，将过曝、欠曝图像分别调整回正常亮度，画质仍然能达到优秀（可用）的宽容度范围。

对于不要求100%观看，只考虑缩图输出的情况，以后将在100%像素下宽容度数据基础上，结合镜头+相机的实际分辨率，提供相应的画质判断方法。

以下内容由 spot 于 2013-4-3 21:34 补充
增加尼康D3100和佳能1DS的可用宽容度数据。



以下内容由 spot 于 2013-4-3 21:35 补充
感谢南方胖子网友对本帖的大力支持，以下D3100的测试照片，均由南方胖子网友拍摄提供，我在RAW文件的基础上用ACR做了亮度调整。

这是一组D3100的同一场景，不同曝光的测试照片，ISO100，F5.6，曝光时间从1/160秒到1.6秒，对应-5到+3共9档不同曝光照片。



以下进行亮度调整后的100%像素对比。

下图是过曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是+1-1（过曝1档再减亮1档），左边第三张是+2-2，最右边是+3-3。

可以看到，+1-1具有完全的可用性，与标准曝光几乎具有完全相同的画质和细节。+2-2出现了一些由于过曝而引起的色彩和细节损失。而+3-3则明显过曝。

因此评估过曝部分的可用范围是+2。



以下内容由 spot 于 2013-4-3 21:36 补充
下图是欠曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是-3+3（欠曝3档再提亮3档），左边第三张是-4+4，最右边是-5+5。

可以看到，-3+3能够保持主体的特征，而-5+5则受到了噪声的明显影响，细节损失较大，尤其是右边上面的小划痕，以及下面的小数字0最为明显。-4+4也受到了噪声的影响，但还能够保持主体的基本特征。

因此评估欠曝部分的可用范围是-4。



D3100这组测试照片，反映出来的可用画质宽容度是，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，总计7档。

与我提供的数据基本一致。

以下内容由 spot 于 2013-4-3 22:03 补充
感谢ltkun网友对本帖的大力支持，以下1DS的测试照片，均由ltkun网友拍摄提供，我在RAW文件的基础上用ACR做了亮度调整。

这是一组1DS同一场景，不同曝光的测试照片，ISO100，F4，曝光时间从1/1000秒到1/4秒，对应-5到+3共9档不同曝光照片。



以下进行亮度调整后的100%像素对比。

下图是过曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是+1-1（过曝1档再减亮1档），左边第三张是+2-2，最右边是+3-3。

可以看到，+1-1具有完全的可用性，与标准曝光几乎具有完全相同的画质和细节。+2-2有一些由于过曝而引起的色彩和细节损失，最明显是下面的CO两个字母。而+3-3则明显过曝。

因此评估过曝部分的可用范围是+2。



以下内容由 spot 于 2013-4-3 22:04 补充
下图是欠曝的对比。最左边是标准曝光，左边第二张是-3+3（欠曝3档再提亮3档），左边第三张是-4+4，最右边是-5+5。

可以看到，-3+3能够保持主体的特征，而-5+5则受到了噪声的明显影响，细节损失较大，尤其是右上的小窗影里的栏杆最为明显。-4+4也受到了噪声的影响，虽然略低于可用标准，但还能够保持主体的基本特征。

因此评估欠曝部分的可用范围是-4。



1DS这组测试照片，反映出来的可用画质宽容度是，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，总计7档。

与我提供的数据基本一致。

这里有一点需要说明，1DS的-4+4这张，如果看画面和计算信噪比得到的结果，都刚好略低于20dB的可用标准，猜测这可能是相机老化等个体差异引起的，毕竟1DS这型号确实太老了。

以下内容由 spot 于 2013-4-7 03:00 补充
10个型号4/3相机的宽容度数据

需要说明的是，下表中各型号的ISO数字，与这个帖子中其它相机的数据一样，都是厂家标称值，并非根据饱和速度实测值。可能不同4/3相机厂家的ISO设置习惯不同，EM5、EPM2、EPL5的ISO厂家标称值，基本上实测值都只有一半（也就是标称ISO200实测大约ISO100，标称ISO400实测大约ISO200，依此类推）。这个区别并不影响宽容度数据的使用，但是不同型号相机的宽容度数据，未加相应调整不能直接对比。

优秀画质宽容度



可用画质宽容度



以下内容由 spot 于 2013-6-23 12:54 补充
在着名尼康技术派铁丝Thom Hogan的网站www.bythom.com上，最近针对富士和松下新发布的有机传感器，宣称的88dB（相当于14.6EV）的超高动态范围数据吐嘈了一下。

其中一段内容，谈到了Aptina的传感器动态范围。这里Thom Hogan有一个误解，他把Aptina去年新发布的AR1011HS 传感器当成Nikon 1上用的了，其实这个传感器目前还没有实际相机使用，它的高动态范围指标，来自于每个像素内置了两种可切换的不同增益，相当于一次曝光可以在不同像素上使用两种不同的ISO设置。

Thom Hogan写过一本Nikon J1&V1完全指南的书，在提到Nikon 1的动态范围指标时，他的说法是，根据他自己的实际测试，这个相机的实用的动态范围大约是7档。

文字摘录翻译如下（蓝色字体）：




以下内容由 spot 于 2013-6-23 12:55 补充
Aptina的传感器在DXO上的动态范围测量结果是11档。这个测量来自于完全过曝与信噪比达到1:1之间的亮度比值，而这个1:1的信噪比你在自己真正的照片中绝对不想用上。就像我在Nikon 1系列相机的书里提到的那样，这个传感器的实用的动态范围大约是7档。因此，这同一个传感器有如下数据：

理论上：84dB（14档）（这是AR1011HS 传感器，没有用在Nikon 1上，Thom Hogan弄错了）
DXO的测量数据：11档（相当于66dB）
实用的测量结果：7档

按照我的可用画质宽容度测算方法，Nikon 1系列的可用画质宽容度在ISO100时达到6.3-7.0档。

Thom Hogan的实用化评测结果，跟我的测算方法得到的结果，完全一致。

真的好长 呵呵 努力学习中

慢慢学习