最近有種單幀HDR技術(shù)，能讓手機(jī)攝影低功耗+無(wú)偽影

HDR（High Dynamic Range，高動(dòng)態(tài)范圍）仿佛是成像領(lǐng)域永恒的話題——感覺(jué)每年都有手機(jī)廠商在宣傳自家手機(jī)攝像頭拍照、拍視頻，獲得的畫(huà)面寬容度能有多廣。這兩年，不僅手機(jī)夜間成像能不能拍到燈箱細(xì)節(jié)成為旗艦機(jī)的必考題，視頻拍攝HDR也已經(jīng)成為手機(jī)OEM廠商爭(zhēng)搶的高地。

一般我們說(shuō)，這里的動(dòng)態(tài)范圍是指成像系統(tǒng)在一幅圖像里能夠同時(shí)體現(xiàn)高光和陰影部分內(nèi)容的能力。誰(shuí)都希望即便在場(chǎng)景的亮處和暗處光比很大時(shí)，手機(jī)攝像頭的最終呈現(xiàn)依舊游刃有余。隨這些年CMOS圖像傳感器工藝技術(shù)進(jìn)步，以及后端數(shù)字信號(hào)處理算力的提升，各種不同的HDR技術(shù)走得都還是比較快。

比如常見(jiàn)的所謂時(shí)域多幀HDR技術(shù)，就是相機(jī)針對(duì)同場(chǎng)景，連續(xù)拍下欠曝到過(guò)曝的多張圖像，最后做圖像的多幀合成，輸出一張高動(dòng)態(tài)范圍HDR圖像。再比如DOL/Staggered HDR，傳感器每行像素以長(zhǎng)短曝光先后輸出，實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)同時(shí)”的不同亮度的信號(hào)，獲取最終的HDR畫(huà)面。還有大小pixel分離結(jié)構(gòu)，不同尺寸的像素獲得不同的感光信號(hào)，覆蓋不同動(dòng)態(tài)范圍。..。..

今年8月，格科微宣布發(fā)布業(yè)界首款DAG單幀高動(dòng)態(tài)1300萬(wàn)像素圖像傳感器GC13A2。這里的DAG（Dual Analog Gain）又是一類實(shí)現(xiàn)照片與視頻HDR的技術(shù)。在我們看來(lái)，這款產(chǎn)品有幾個(gè)關(guān)鍵詞。

其一是“單幀HDR”，并非手機(jī)拍照常見(jiàn)的多幀合成HDR；其二是從GC13A2的規(guī)格來(lái)看，1300萬(wàn)像素分辨率，1/3.1英寸大小，單像素尺寸1.12μm，可見(jiàn)格科微將真正的視頻HDR技術(shù)，下放到了入門(mén)或中端手機(jī)設(shè)備上——大概明年，大部分手機(jī)都能普及此前旗艦手機(jī)才有的視頻HDR了。

我們來(lái)看看格科微的DAG HDR究竟是怎樣一種技術(shù)，效果如何。

DAG VS 多幀合成

傳統(tǒng)的時(shí)域多幀HDR，如前文所述，就是以不同的曝光參數(shù)，拍下多張圖像，最終對(duì)齊合成——欠曝的畫(huà)面照顧到了亮部細(xì)節(jié)，而過(guò)曝的畫(huà)面則能夠較好地呈現(xiàn)暗部細(xì)節(jié)。合成以后也就有了HDR效果。

這類方案的缺陷主要是，即便拍攝多張照片或多幀影像的時(shí)間間隔很短，“多幀”的這些畫(huà)面，畢竟仍然是不同時(shí)間拍攝的：那么當(dāng)移動(dòng)中取景或畫(huà)面存在高速運(yùn)動(dòng)對(duì)象時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽像或鬼影。無(wú)論是拍照還是拍視頻，后端都需要對(duì)偽像再做處理。

即便現(xiàn)在包括AI在內(nèi)的技術(shù)可用于消除運(yùn)動(dòng)偽像，多幀合成依然存在局限性。比如說(shuō)要求AI模型有足夠廣的覆蓋度，算法效果也未必理想；后期消除偽像，系統(tǒng)成本會(huì)隨之提升——成本敏感型設(shè)備承受不了；影像拍攝的系統(tǒng)功耗也可能不理想。

那么很自然的，單幀HDR成為一個(gè)值得發(fā)展的方向。格科微選擇的就是自研DAG HDR。格科微在資料中說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)是基于單幀畫(huà)面，針對(duì)畫(huà)面暗部使用高模擬增益，使得暗部“更清晰，更有質(zhì)感”，針對(duì)亮部使用低模擬增益，避免過(guò)曝。那么就能最終輸出HDR圖像。DAG的Dual Analog Gain應(yīng)該就是指這兩種增益了。

格科微告訴我們，所謂的“analog gain”模擬增益，是在ADC環(huán)節(jié)部分的增益，“暗部用一種gain，亮部用一種gain”基于對(duì)不同位置曝光的判斷，“在傳感器內(nèi)部就完成整個(gè)過(guò)程”，“只輸出一幀畫(huà)面”。據(jù)說(shuō)這種方案通過(guò)較小的成本增加，帶來(lái)近10dB的動(dòng)態(tài)范圍提升。

DAG HDR至少在拍照的三個(gè)方面提升了動(dòng)態(tài)范圍，拍攝畫(huà)面預(yù)覽、拍照、拍視頻。畫(huà)面預(yù)覽很容易理解：因?yàn)镈AG HDR是單幀HDR，那么理論上在例如手機(jī)拍照時(shí)，按下快門(mén)前，拍照界面的畫(huà)面預(yù)覽就已經(jīng)能夠看到HDR效果。

比如下面這組預(yù)覽取景對(duì)比，分別是GC13A2的DAG HDR畫(huà)面（右），以及另外一款同樣1/3.06“ 1300萬(wàn)像素圖像傳感器輸出的常規(guī)10bit畫(huà)面（左）。注意水面暗部細(xì)節(jié)，及大樓外屏亮部細(xì)節(jié)對(duì)比，可以明顯發(fā)現(xiàn)DAG HDR還原的動(dòng)態(tài)范圍更大，高亮的霓虹燈幾乎沒(méi)有過(guò)曝。

左圖：普通預(yù)覽 右圖：DAG HDR 預(yù)覽

看看DAG實(shí)際效果怎么樣

當(dāng)然，即便應(yīng)用了單幀HDR技術(shù)，仍然可以借助時(shí)域多幀HDR來(lái)更進(jìn)一步提升畫(huà)面動(dòng)態(tài)范圍。好處在于，用了單幀HDR的傳感器，在做多幀合成時(shí)，合成數(shù)量減少、功耗降低。

當(dāng)用于照片拍攝時(shí)，相較傳統(tǒng)10bit方案，需要3幀合成的場(chǎng)景減少了50%。在格科微的高光比測(cè)試場(chǎng)景內(nèi)，沒(méi)有單幀HDR方案的圖像傳感器拍照時(shí)，在60%的情況下需要進(jìn)行3幀合成才能獲得HDR效果；而一旦有了DAG HDR的加持，那么80%的場(chǎng)景都只需要做2幀合成，10%的情況下用單幀就保留了高動(dòng)態(tài)范圍，還有10%才考慮用3幀合成。

左圖：傳統(tǒng) HDR 拍照 右圖：DAG HDR 拍照

下面這組圖是GC13A2在打開(kāi)DAG HDR以后，正常曝光與2幀合成的照片，以及關(guān)閉DAG HDR時(shí)的正常曝光與3幀合成照片效果對(duì)比。從背景抓娃娃機(jī)的燈光呈現(xiàn)，以及減少的合成幀數(shù)，這組對(duì)比還是能夠明確感受到DAG HDR的威力的。

左組圖：DAG HDR OFF 右組圖：DAG HDR ON

那么對(duì)應(yīng)的，多幀合成的任務(wù)減少，一方面更好地抗運(yùn)動(dòng)偽像和鬼影，另一方面則讓系統(tǒng)功耗得到大幅縮減——對(duì)手機(jī)這樣的功耗敏感型設(shè)備而言有價(jià)值。運(yùn)動(dòng)偽像的消除，可從下面這個(gè)快速搖擺的運(yùn)動(dòng)對(duì)象拍攝看得出來(lái)。

左圖：多幀合成拍照 右圖：DAG HDR單幀拍照

值得一提的是，實(shí)際上DAG這類單幀HDR方案，在功耗更低和無(wú)鬼影的問(wèn)題上，也比隔行長(zhǎng)短曝光之類的“準(zhǔn)同時(shí)”多曝光方案有優(yōu)勢(shì)。格科微似乎也在內(nèi)部測(cè)試中對(duì)比了stagger HDR，以表現(xiàn)DAG的明確優(yōu)勢(shì)。

左：stagger HDR 右：DAG HDR

另外在視頻拍攝上，GC13A2可以全時(shí)低功耗輸出12bit高動(dòng)態(tài)范圍圖像和4K 30fps視頻。在視頻拍攝時(shí)，單幀輸出就能獲得比較理想的HDR效果。一方面在圖像傳感器層面，將HDR視頻真正帶到了入門(mén)手機(jī)之上；另外實(shí)現(xiàn)HDR視頻的同時(shí)，因?yàn)槠陂g沒(méi)有采用多幀合成，所以功耗減少了大約30-40%，也避免了多幀合成的運(yùn)動(dòng)偽像問(wèn)題。

在后端算力平臺(tái)支持12bit數(shù)據(jù)處理時(shí)，這顆傳感器就能將12bit數(shù)據(jù)完整輸出；考慮入門(mén)平臺(tái)不支持12bit數(shù)據(jù)的情況，則GC13A2也能通過(guò)global-tone-mapping算法，將數(shù)據(jù)壓縮到10bit——雖說(shuō)做了數(shù)據(jù)位壓縮，但畫(huà)面亮部與暗部細(xì)節(jié)仍有保留，所以仍有HDR效果。

未來(lái)會(huì)擴(kuò)展到高端定位和其他市場(chǎng)

DAG HDR技術(shù)在格科微內(nèi)部的研發(fā)，前后總共可能歷經(jīng)了3-5年。這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在“電路、算法方面的經(jīng)驗(yàn)積累”上。據(jù)說(shuō)在格科微更早期的傳感器產(chǎn)品上，就有對(duì)應(yīng)技術(shù)的“試驗(yàn)”。到現(xiàn)如今正式量產(chǎn)，克服了不少難點(diǎn)。

格科微將GC13A2定位于手機(jī)、平板電腦之類的移動(dòng)設(shè)備。未來(lái)格科微也考慮將DAG HDR技術(shù)應(yīng)用到更高端定位的傳感器產(chǎn)品上。“這項(xiàng)技術(shù)發(fā)布以后，未來(lái)入門(mén)級(jí)智能手機(jī)產(chǎn)品都能用上HDR視頻拍攝和預(yù)覽?！备窨莆⑾嚓P(guān)市場(chǎng)負(fù)責(zé)人在接受采訪時(shí)說(shuō)，“1300萬(wàn)像素是能最快實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品。后續(xù)將技術(shù)復(fù)制到其他產(chǎn)品上也不會(huì)有問(wèn)題。”

甚至未來(lái)格科微推出的大部分傳感器產(chǎn)品，都考慮將DAG或者其他HDR技術(shù)作為標(biāo)配。通過(guò)在更高性能的產(chǎn)品上搭載DAG技術(shù)，也能進(jìn)一步拉高品牌定位。

尤為值得一提的是，今年6月，格科微在安博會(huì)上發(fā)布了一款面向智慧城市、智能家居、會(huì)議系統(tǒng)等的GC8613傳感器。規(guī)格上，除了4K分辨率以外，這顆傳感器就已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了DAG HDR單幀高動(dòng)態(tài)。這是DAG HDR技術(shù)還可應(yīng)用于更多市場(chǎng)的佐證。

格科微告訴我們，無(wú)論GC13A2還是GC8613，都已經(jīng)有客戶引入或做評(píng)估。GC13A2大概率明年就能在手機(jī)產(chǎn)品上看得到。

從這些年格科微布局sensor shift OIS光學(xué)防抖方案，再到COM封裝技術(shù)（錫焊COB）等，都能看出格科微在技術(shù)儲(chǔ)備上的努力。據(jù)說(shuō)當(dāng)前格科微針對(duì)HDR技術(shù)還在做進(jìn)一步的深入和研究，很快大約也能看到DAG之外的其他成果。從格科微的時(shí)間和技術(shù)沉淀投入還是能夠看出這家公司入駐高端市場(chǎng)的決心和實(shí)力的。