圖像傳感器實(shí)現(xiàn)HDR的不同技術(shù)路線

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/周凱揚(yáng)）隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)傳感器能夠捕捉到的數(shù)據(jù)越來越多。圖像傳感器也是如此，然而即便是目前最先進(jìn)的圖像傳感器，還是很難實(shí)現(xiàn)人眼所能捕捉的動(dòng)態(tài)范圍?？蔀榱吮M可能地還原現(xiàn)實(shí)場景，還是在極力地發(fā)展HDR高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)。

多重曝光

如文章開頭所說，要想在單幀內(nèi)捕捉到超大的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)于現(xiàn)代傳感器來說還是有些勉強(qiáng)。在同時(shí)包含室內(nèi)室外的場景下，很容易出現(xiàn)過曝或暗部模糊的情況。過去為了實(shí)現(xiàn)所謂的高動(dòng)態(tài)范圍，需要拍攝多張不同曝光程度的照片，之后進(jìn)行合成，這樣才能呈現(xiàn)完整的從暗部到亮部的細(xì)節(jié)。

但隨著傳感器技術(shù)與讀出速度的進(jìn)步，不少手機(jī)CIS都可以在機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)多張合成的過程。通過更改快門時(shí)間，拍攝多種不同亮度的圖像信號(hào)，直接在圖像傳感器上將多張圖像合成為一個(gè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)廣域動(dòng)態(tài)范圍。不同的廠商對(duì)其合成HDR技術(shù)也有不同的叫法，比如有的叫Staggered HDR，索尼的DOL-HDR或安森美的eHDR等，多重曝光的次數(shù)也不盡相同。

但這個(gè)多張融合的過程就需要引入計(jì)算了，比如基于圖像輝度分布，進(jìn)行漸變校正處理，調(diào)整局部亮度，抑制過曝和暗部模糊，得到一張力求接近人眼所見的圖像。有的圖像傳感器可以直接在圖像傳感器的邏輯芯片中完成這一系列處理，所以也可以用于視頻拍攝。有的圖像傳感器如果沒有集成HDR合成功能，則需要更昂貴算力更強(qiáng)大的ISP，比如高通的Spectra 580等，同時(shí)在帶寬要求上也會(huì)因?yàn)槎嘀仄毓獾拇螖?shù)而成倍增長。

雖然現(xiàn)代圖像傳感器多重曝光宣傳的近乎同時(shí)進(jìn)行，但這畢竟不是真正的同時(shí)進(jìn)行，而且暗光條件下更難做到短曝光時(shí)間，這也就是為何不少手機(jī)在暗光條件下難以拍出可用HDR的原因。但多重曝光真正需要克服的問題，就是因?yàn)椴煌瑫r(shí)曝光合成而產(chǎn)生的偽影和彩噪。

在車載圖像傳感器中，這類方案還容易遇到的一個(gè)問題就是LED閃爍。為了節(jié)省能源，不少LED照明都采用了脈沖式（PWM）的設(shè)計(jì)，諸如前燈、尾燈、交通標(biāo)志和隧道燈等。而多重曝光的方案就很容易造成圖像傳感器捕捉LED圖案的缺失，這對(duì)于ADAS與自動(dòng)駕駛來說就會(huì)成為關(guān)鍵錯(cuò)誤，所以往往汽車圖像傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)納入對(duì)LFM（LED閃爍抑制）的考慮。

多路同時(shí)輸出合成

雖然多重曝光的技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)在圖片攝影上的高動(dòng)態(tài)范圍表現(xiàn)，但對(duì)于視頻拍攝而言，就很難以同樣的方式輸出高動(dòng)態(tài)范圍的視頻了。所以在視頻拍攝行業(yè)中，圖像傳感器一般會(huì)采用一種名為雙增益輸出（DGO）的方式來提高動(dòng)態(tài)范圍。

諸如佳能部分C系列電影機(jī)，Arri的數(shù)字電影機(jī)等，就都在各自的傳感器上部署了雙增益架構(gòu)。該架構(gòu)可以同時(shí)為每個(gè)像素提供兩個(gè)獨(dú)立的讀出路徑，分別具備不同的增益放大倍率，兩者同時(shí)輸入機(jī)器的A/D轉(zhuǎn)換器，從而合成高動(dòng)態(tài)范圍的視頻。這樣也就解決了多重曝光這類HDR方式可能具備的偽影等問題。

但DGO的方法并非毫無缺點(diǎn)，首先其架構(gòu)設(shè)計(jì)等同于同時(shí)錄制兩條視頻流，極大地增加了功耗，對(duì)于傳感器的讀出速度也提出了考驗(yàn)，所以DGO模式下工作的圖像傳感器往往難以做到高幀率拍攝。

利用類似設(shè)計(jì)架構(gòu)的還有格科微最近發(fā)布的GC13A2傳感器，在該傳感器上格科微采用了其專利的DAG HDR技術(shù)。GC13A2可以輸出12bit的高動(dòng)態(tài)范圍圖像和4K 30fps視頻，且格科微對(duì)其做了低功耗設(shè)計(jì)，在圖像拍攝上3幀合成的場景功耗降低了50%，在高動(dòng)態(tài)范圍視頻錄制上的功耗降低了約30%。

寫在最后

隨著HDR傳播途徑越來越廣，標(biāo)準(zhǔn)越來越完善，HDR顯示設(shè)備的普及，圖像傳感器全面擁抱HDR技術(shù)必將成為常態(tài)。其中牽扯到了諸多圖像計(jì)算的技術(shù)，也是各大圖像傳感器廠商新一輪的發(fā)力點(diǎn)，但對(duì)于圖像傳感器本身單幀輸出的動(dòng)態(tài)范圍改進(jìn)，也不應(yīng)該有所懈怠。