3.5 动态范围 （Dynamic Range）
一个信号系统的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的比值，在实际应用中经常用以10为底的对数来表示，单位是分贝。对于胶片和感光元件来说，动态范围表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的取值范围。根据ISO15739的定义，“最亮”指的是能够使输出编码值达到特定“饱和值”的亮度；而“最暗”指的是图像信噪比下降至1.0时的亮度。
sensor 动态范围越大，所能表现的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广。下图是用来测量sensor动态范围性能的常用方法。
前面已经提到，sensor是由数以百万个甚至更多像素组成的，这些像素在曝光过程中吸收光子转化成电荷。一旦这些像素容量达到饱和，多余的电荷便会溢出导致输出信号不再增加，此时像素的值不能反映光信号的真实强度，如下图所示。
因此sensor能够输出的最大不失真信号就等于sensor像素的势阱容量，而sensor输出的最小值则取决于像素的背景噪声水平，一般起主导作用的是读出噪声。
根据动态范围的定义，sensor动态范围的分贝表示用以下公式计算
当读出噪声为一个电子时，sensor的动态范围即达到理论极限值
根据上面的公式可以简单计算出动态范围与FullWellCapacity之间的关系。
显然，目前较好的工艺水平（SONY）可以做到每个像素容纳10000~30000个电子，可以提供80~90dB的极限动态范围，但是更多就不合理也不经济了，因为更大的势阱容量需要更大的像素面积，而像素大到一定程度之后就会遇到成品率瓶颈，下面有专题说明，因此超过80dB的动态范围往往需要依赖其它技术实现。
下图列举了一些典型单反相机sensor的动态范围指标，纵坐标可以理解为AD转换器的位数。例如12位ADC能够表示的动态范围是2^12=4096，而14位ADC能够表示2^14=16384，以此类推。
P.S. ADC位数的选择必须是和sensor的动态范围相适配的，ADC位数高于sensor是没有任何意义的性能浪费，低于sensor则不能完全发挥出sensor的性能优势，也是一种性能浪费。从图中可以看到，单反相机的主流是采用14位ADC，更高端的则采用16位ADC。
白天的天空可以看作是一个非常明亮的光源，如果sensor动态范围不足，拍摄天空时就很容易出现过曝，蓝天变浅，白云失去层次感，甚至完全变白。
下图列举了一些典型场景的动态范围。
在日常生活中会经常遇到动态范围>100dB的场景，一个sensor如果具备120dB的动态范围即可满足绝大部分场景的拍摄需求。普通人眼可轻易应对80~100dB的场景，然而普通的CMOS sensor 却只能提供50~70dB的动态范围，更高的动态范围一般需要通过多帧合成的办法实现。
在摄影领域经常使用“f-stop”术语描述镜头的通光量，这里stop指曝光档位，镜头光圈旋转到一个f-stop档位的时候会自动锁定，伴随一个轻微的“咔嚓”声。档位的设定依据是非常明确的，即相邻两档的通光量是2倍关系，因此镜头的通光量是按照2的指数倍规律变化的。
在摄影领域经常使用“light stop”术语描述场景的动态范围。举例来说，如果室内最暗处照度是1lux，而室外最亮处照度是3万lux，则场景动态范围是30000（90dB），需要15个light stop。
当一幅画面同中时存在亮部和暗部的时候，往往就是考验sensor 动态范围性能的时候了。动态范围小的sensor 无法同时兼顾亮部和暗部，通常只能牺牲一个保证另一个，或者两者都做出一定的牺牲（下图左）。如果希望暗部和两部能够同时得到较好的还原，则只能使用宽动态性能更好的sensor（下图右）。
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