[CV] Dynamic Range 란?

카메라와 디스플레이의 Dynamic Range

Dynamic Range: 

Dynamic Range는 카메라와 디스플레이 장치에서 최소 밝기와 최대 밝기 사이의 범위를 의미.

 

이는 장치(or systme)의 밝기 디테일 처리 능력을 결정하는 중요한 요소임.

 

넓은 Dynamic Range는 다음과 같은 장점을 제공합니다:

• 어두운 부분과 밝은 부분에서 더 많은 디테일 포착 가능
• 더 자연스러운 이미지 표현 가능

---

카메라에서의 Dynamic Range

카메라에서 Dynamic Range는 많은 경우 'stop'이라는 단위로 측정됨.

1 stop은 빛의 양이 두 배 증가하거나 반으로 감소하는 것을 의미한다.

• 최신 스마트폰 카메라: 10-14 stops
• 전문 DSLR 카메라: 12-15 stops 이상

예를 들어, 12 stops의 Dynamic Range는 최대 밝기와 최소 밝기의 차이가 4096배($=2^{12}$)임을 의미함.
이는 밝은 햇빛 아래의 장면에서도 그늘진 곳의 디테일을 선명하게 캡처할 수 있는 수준임.

---

디스플레이에서의 Dynamic Range

디스플레이에서의 Dynamic Range는

• 최대 밝기와 최소 밝기의 범위로서
• 주로 'nit'라는 단위(luminance, 휘도 단위)를 사용함.

고화질 디스플레이는 더 넓은 Dynamic Range를 제공하여 더 선명하고 생생한 이미지를 생성하며 
특히 어두운 색과 밝은 색을 더 자연스럽게 표현할 수 있음.

• 일반 SDR 모니터의 경우 1-400 $\text{cd}/\text{m}^2$ 의 Dynamic Range를 제공(거의 100nit)
• HDR 모니터의 경우 0-10,000 nit 의 Dynamic Range를 허용함(실제 구현물에서는 2000nit정도임)

2024.08.31 - [.../Physics] - [Physics] Units in Optics

[Physics] Units in Optics

---

Dynamic Range의 수학적 표현

Dynamic Range는 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있음:

$$ \text{DR}=20 \log \left(\frac{I_\text{max}}{I_\text{min}}\right) $$

 

여기서:

• $I_\text{max}$는 최대 광자 에너지(카메라) 또는 최대 밝기(디스플레이)를 나타냄.
• $I_\text{min}$은 최소 감지 가능 광자 에너지(카메라) 또는 최소 밝기(디스플레이)를 의미.

2023.06.16 - [.../Physics] - [Etc] deciBel

[Etc] deciBel

 

사람의 눈, HDR Display Device, Camera등에서의 Dynamic Range는 다음과 같음 (대략적인 수치).

Sensor	$I_\text{max}/I_\text{minI}$​	dB
Human Eye	1,000,000:1	120
HDR Display	200,000:1	106
Digital Camera	4096:1	72.2
Film Camera	2948:1	66.2
Digital Video	45:1	33.1

 

일반적 HDR지원 display의 경우 10-12 stop( ~ 60-75 dB) 에 불과 (위의 spec으로 지정된 수치와는 차이).

 

일반적으로 인간의 눈은 약 0.01 nits에서 10,000 nits 사이의 밝기를 감지할 수 있음. (하지만 이는 개인차가 있고 환경에 따라 다름)

• 최소 감지 가능 밝기: 약 0.01 nits (매우 어두운 밤)
• 일반적인 실내 조명: 50-300 nits
• 밝은 햇빛: 1,000-10,000 nits

---

HDR (High Dynamic Range) 기술

HDR 기술은 넓은 Dynamic Range를 활용하여 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 표준 Dynamic Range (SDR) 대비 훨씬 넓은 밝기 범위
• 더 풍부한 색상과 깊은 대비 표현
• 세부적인 그림자와 하이라이트를 더 세밀하게 표현

결과적으로, HDR 기술은 Tone mapping과 함께 사용자의 시각적 경험을 현저히 향상시킴.

---

HDR의 두 가지 주요 방식

HDR 기술은 크게 두 가지 방식으로 구현됩니다:

1. 다중 노출 HDR (Multiple Exposure HDR)
   • 여러 장의 다른 노출 이미지를 결합
   • 장점: 매우 넓은 다이나믹 레인지 캡처 가능
   • 단점: 움직이는 피사체에 적합하지 않음
2. 단일 촬영 HDR (Single Shot HDR)
   • 한 번의 노출로 HDR 이미지 생성
   • 장점: 움직이는 피사체에 적합, 빠른 처리 속도
   • 단점: 다중 노출 방식에 비해 dynamic range가 제한적

두 방식 모두 각각의 장단점이 있어, 촬영 상황과 목적에 따라 적절한 방식을 선택하는 것이 중요함.

---

같이보면 좋은 자료들

https://dsaint31.tistory.com/625: contrast와 유사하니 그 차이점을 살펴볼 것.

[DIP] Image Quality 관련 정량화 지표들

2024.10.09 - [Programming/DIP] - [CV] Dynamic Range vs. Contrast

[CV] Dynamic Range vs. Contrast