4.7. التعريض والكسب

هناك مقبضان يغيّران مدى سطوع كل خلية بكسل عند إبلاغها لبقية خط المعالجة:

  • زمن التعريض (ويُسمى أيضاً زمن التكامل) -- المدة المسموح بها للصمام الضوئي لتجميع الشحنة قبل القراءة.

  • الكسب التناظري -- المضاعِف الذي يطبقه مكبر على الشريحة على جهد القراءة قبل وحدة ADC.

يجعل كلا المقبضين الصورة المسجلة أكثر سطوعاً، لكن الطريقة التي يصلان بها إلى ذلك مختلفة، ويحمل كل منهما تكلفته الخاصة.

4.7.1. زمن التعريض

يعني التعريض الأطول أن كل خلية تجمع المزيد من الإلكترونات في كل إطار، فيخرج العدّ الرقمي أعلى للمشهد نفسه. تقليل التعريض إلى النصف يقلل العدّ إلى النصف تقريباً؛ ومضاعفته تضاعفه تقريباً. وتكون العلاقة خطية حتى يتشبع البئر.

التكلفة هي الحركة. تسجل الخلية متوسط الضوء الواصل إليها على مدى نافذة التكامل بأكملها، لذا فإن أي جسم يتحرك مسافة ملحوظة خلال تلك النافذة يتلطخ عبر عدة بكسلات -- ضبابية الحركة. شخص يمشي عند تعريض 1/30 ثانية يصبح ضبابياً على عدة بكسلات؛ بينما يظهر الشخص نفسه عند 1/500 ثانية حاداً.

كما يقرّب التعريض الطويل الخلية أكثر من التشبع، لذا في المشاهد جيدة الإضاءة يجب أن ينخفض التعريض رغم أن السطوع مناسب -- وإلا فإن المناطق الساطعة ستقتطع.

4.7.2. الكسب التناظري

الكسب التناظري هو مكبر صغير بين قراءة الصمام الضوئي ووحدة ADC. يُضرب جهد الإشارة في الكسب قبل أن يُرقمن، فينتهي العدد نفسه من الإلكترونات إلى القراءة كرقم أكبر. ويُعبَّر عن الكسب عادةً بالديسيبل (dB)؛ ومضاعفة الكسب تساوي +6 dB.

يساعد الكسب في الإضاءة الخافتة جداً بحيث لا يمكن التعريض أطول -- حيث إن تمديد التعريض إما سيخفض معدل الإطارات إلى ما دون احتياجات التطبيق أو سيُدخل ضبابية حركة مفرطة. والتكلفة هي الضوضاء. يضاعف المكبر أرضية الضوضاء مع الإشارة، لذا فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء لا تتحسن بزيادة الكسب. ينتج الكسب العالي صورة أكثر حُبيبية وضوضاء عند سطوع المشهد نفسه مقارنةً بالكسب المنخفض.

تكشف بعض المستشعرات أيضاً مقبض كسب رقمي، وهو مضاعِف عددي بعد وحدة ADC. والكسب الرقمي أسوأ حتى من الكسب التناظري من ناحية الضوضاء، لأنه يضخّم أيضاً ضوضاء التكميم من وحدة ADC. لذا لجأ إليه أخيراً.

4.7.3. التعريض التلقائي والكسب التلقائي

تحتاج الكاميرات الحقيقية إلى التعامل مع مشاهد تمتد عبر مدى هائل من السطوع -- غرفة داخلية خافتة ونافذة تغمرها الشمس في حقل الرؤية نفسه. وهناك حلقتا تحكم تضبطان المقبضين في الزمن الحقيقي:

  • التحكم التلقائي في التعريض (AEC) يقيس متوسط قيمة البكسل في الإطار الأخير (غالباً مع ترجيح نحو المركز، أو ترجيح بعيداً عن أسطع البكسلات) ويضبط زمن التعريض لدفع ذلك المتوسط نحو هدف معين.

  • التحكم التلقائي في الكسب (AGC) يفعل الشيء نفسه مع الكسب التناظري، وعادةً كخيار احتياطي بمجرد أن يكون زمن التعريض قد دُفع إلى حده الأقصى الآمن.

للترتيب أهمية. فضبط التعريض أولاً والكسب ثانياً يمنح أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء لسطوع هدف معين، لأن التعريض يجمع المزيد من الإشارة دون تضخيم الضوضاء، بينما يضخّم الكسب كليهما. لذا تعمل AEC وAGC وفق أولوية: يزداد التعريض أولاً لتفتيح مشهد خافت، ولا يبدأ الكسب إلا بمجرد أن يبلغ التعريض سقفه (الذي يحدده معدل الإطارات أو ميزانية ضبابية حركة صريحة).

4.7.4. النطاق الديناميكي العالي

تختار AEC وAGC السطوع الصحيح للإطار الواحد لـمتوسط المشهد، لكن لكل مشهد أجزاء أسطع وأخفت من المتوسط. ولا يمكن لتعريض واحد أن يغطي إلا قدراً محدوداً من ذلك المدى دفعة واحدة -- فالتعريضات القصيرة تحافظ على المناطق الساطعة لكنها تدفن المناطق المظلمة في ضوضاء القراءة؛ والتعريضات الطويلة ترفع المناطق المظلمة لكنها تقتطع المناطق الساطعة عند التشبع. أما النطاق الديناميكي للمستشعر -- النسبة بين أسطع بكسل يمكنه تسجيله دون اقتطاع وأظلم بكسل يمكنه تمييزه عن الضوضاء -- فمحدد بسعة البئر الكاملة للصمام الضوئي وأرضية ضوضاء القراءة، والعديد من المشاهد لها مدى أوسع مما يستطيع المستشعر التقاطه في إطار واحد. والنافذة التي تغمرها الشمس في غرفة داخلية خافتة هي المثال الكلاسيكي.

يتجاوز التصوير بـالنطاق الديناميكي العالي (HDR) هذا الحد عبر دمج تعريضين أو أكثر للمشهد نفسه -- قصير وطويل كحد أدنى، وأحياناً أكثر -- في إطار خرج واحد. تحافظ التعريضات القصيرة على المناطق الساطعة دون تشبع؛ وترفع التعريضات الطويلة المناطق المظلمة خارج أرضية الضوضاء. وتأخذ الصورة المدمجة المناطق الساطعة من الإطارات القصيرة والمناطق المظلمة من الطويلة، فينتهي بها الأمر بنطاق ديناميكي قابل للاستخدام أكبر مما يمكن لأي مدخل واحد أن يحمله بمفرده.

يمكن أن يحدث الدمج خارج الشريحة، حيث يجمّع برنامج رشقة متعددة الإطارات، أو على الشريحة، حيث يتداخل المستشعر صفوف التعريض القصير والطويل في خطوط مسح متناوبة أو يمرر كل بكسل عبر مسارَي قراءة بكسوب تحويل مختلفة. وفي الحالتين تكون النتيجة إطاراً واحداً ببتات نطاق ديناميكي أكثر مما يستطيع الصمام الضوئي تسجيله في لقطة واحدة.

ذلك الإطار ممتد النطاق غير قابل للعرض مباشرة. فمخزن الإطارات وأي مستهلك في المراحل اللاحقة له يعمل بعمق بت ثابت (عادةً 8 بتات لكل قناة)، بينما يمكن أن تصل إشارة HDR إلى 12 أو 16 بت أو أكثر. ويضغط تعيين النغمة البتات الإضافية مرة أخرى إلى عمق الخرج بتطبيق منحنى غير خطي يبقي تفاصيل المناطق المظلمة والساطعة معاً مرئية. إذ إن أي تحجيم خطي مباشر لإشارة HDR إما سيسحق المناطق الخافتة إلى الأسود أو سيقتطع المناطق الساطعة إلى الأبيض؛ بينما يتنازل تعيين النغمة الجيد عن بعض دقة السطوع المطلق للاحتفاظ بالتفاصيل عبر طرفي المدى، ويبدو الخرج أقرب بكثير إلى ما تراه العين فعلاً في المشهد مما يستطيعه أي تعريض مستشعر واحد على الإطلاق.