4.7. Expozice a zisk

Dva ovládací prvky mění, jak jasně je každá pixelová buňka hlášena zbytku pipeline:

  • Expoziční čas (také nazývaný integrační čas) – jak dlouho je fotodioda nechána sbírat náboj před vyčtením.

  • Analogový zisk – násobitel aplikovaný na vyčítací napětí pomocí zesilovače na čipu před ADC.

Oba ovládací prvky činí zaznamenaný obraz jasnějším, ale způsob, jakým toho dosahují, je odlišný a každý nese vlastní náklady.

4.7.1. Expoziční čas

Delší expozice znamená, že každá buňka nasbírá za snímek více elektronů, takže pro stejnou scénu vyjde digitální hodnota vyšší. Zkrácení expozice na polovinu zhruba zpolovin hodnotu; její zdvojnásobení ji zhruba zdvojnásobí. Vztah je lineární až do nasycení jímky.

Náklady spočívají v pohybu. Buňka zaznamenává průměrné světlo, které k ní dorazí během celého integračního okna, takže jakýkoli objekt, který se během tohoto okna posune o znatelnou vzdálenost, se rozmaže přes více pixelů – pohybové rozmazání. Chodec při expozici 1/30 s se rozmaže přes několik pixelů; tatáž osoba při 1/500 s se jeví ostrá.

Dlouhá expozice také přibližuje buňku k nasycení, takže v dobře osvětlených scénách musí expozice jít dolů, i když je jas v pořádku – jinak se přepálí jasná místa.

4.7.2. Analogový zisk

Analogový zisk je malý zesilovač mezi vyčtením fotodiody a ADC. Napětí signálu se před digitalizací vynásobí ziskem, takže stejný počet elektronů nakonec vyčte jako vyšší číslo. Zisk se obvykle vyjadřuje v decibelech (dB); zdvojnásobení zisku je +6 dB.

Zisk pomáhá při světle příliš slabém na to, aby bylo možné déle exponovat – kde by prodloužení expozice buď snížilo snímkovou frekvenci pod potřeby aplikace, nebo zaneslo příliš mnoho pohybového rozmazání. Náklady spočívají v šumu. Zesilovač násobí spolu se signálem i šumovou hladinu, takže poměr signálu k šumu se s vyšším ziskem nezlepší. Vysoký zisk produkuje zrnitější, šumovější obraz při stejném jasu scény jako nízký zisk.

Některé senzory také nabízejí ovládací prvek digitálního zisku, což je celočíselný násobitel za ADC. Digitální zisk je pro situaci se šumem ještě horší než analogový zisk, protože zesiluje také kvantizační šum z ADC. Sáhněte po něm jako po posledním.

4.7.3. Automatická expozice a automatický zisk

Skutečné kamery musí zvládat scény, které pokrývají obrovský rozsah jasu – temnou vnitřní místnost a sluncem zalité okno ve stejném zorném poli. Dvě řídicí smyčky upravují ovládací prvky v reálném čase:

  • Automatické řízení expozice (AEC) měří průměrnou hodnotu pixelů v nedávném snímku (často s váhou směrem ke středu nebo s váhou odkloněnou od nejjasnějších pixelů) a upravuje expoziční čas tak, aby tento průměr přiblížilo k cílové hodnotě.

  • Automatické řízení zisku (AGC) dělá totéž s analogovým ziskem, obvykle jako záloha, jakmile byl expoziční čas již vytlačen na své bezpečné maximum.

Na pořadí záleží. Úprava nejprve expozice a poté zisku poskytuje nejlepší poměr signálu k šumu pro daný cílový jas, protože expozice shromažďuje více signálu bez zesilování šumu, zatímco zisk zesiluje obojí. AEC a AGC proto pracují podle priority: nejprve se zvyšuje expozice, aby se rozjasnila temná scéna, a zisk se zapojí teprve tehdy, když expozice dosáhne svého stropu (nastaveného snímkovou frekvencí nebo explicitním rozpočtem na pohybové rozmazání).

4.7.4. Vysoký dynamický rozsah

AEC a AGC volí správný jas jednoho snímku pro průměr scény, ale každá scéna má části jasnější a tmavší než průměr. Jediná expozice dokáže najednou pokrýt jen část tohoto rozsahu – krátké expozice zachovávají jasná místa, ale pohřbívají stíny ve vyčítacím šumu; dlouhé expozice vytahují stíny, ale ořezávají jasná místa při nasycení. Dynamický rozsah senzoru – poměr mezi nejjasnějším pixelem, který dokáže zaznamenat bez ořezání, a nejtmavším, který dokáže odlišit od šumu – je dán kapacitou plné jímky fotodiody a hladinou vyčítacího šumu a mnoho scén má širší rozsah, než kolik senzor dokáže zachytit v jednom snímku. Sluncem zalité okno v temné vnitřní místnosti je klasickým příkladem.

Zobrazování s vysokým dynamickým rozsahem (HDR) obchází tento limit kombinováním dvou nebo více expozic téže scény – minimálně krátké a dlouhé, někdy více – do jediného výstupního snímku. Krátké expozice zachovávají jasná místa bez nasycení; dlouhé expozice vytahují stíny ven z šumové hladiny. Kombinovaný obraz přebírá jasná místa z krátkých snímků a stíny z dlouhých, takže nakonec má použitelnější dynamický rozsah, než jaký by mohl nést kterýkoli jediný vstup sám o sobě.

Kombinování se může odehrávat mimo čip, kdy software sešívá vícesnímkovou dávku, nebo na čipu, kdy senzor prokládá řádky s krátkou a dlouhou expozicí ve střídajících se snímacích linkách nebo prožene každý pixel dvěma vyčítacími cestami s různými konverzními zisky. Tak či onak je výsledkem jeden snímek s více bity dynamického rozsahu, než kolik by fotodioda dokázala zaznamenat jediným záběrem.

Tento snímek s rozšířeným rozsahem není přímo zobrazitelný. Framebuffer a jakýkoli odběratel za ním běží s pevnou bitovou hloubkou (obvykle 8 bitů na kanál) a HDR signál může dosahovat 12, 16 nebo více. Mapování tónů komprimuje extra bity zpět dolů na výstupní hloubku aplikováním nelineární křivky, která udržuje viditelné detaily ve stínech i jasných místech. Přímé lineární škálování HDR signálu by buď rozdrtilo temné oblasti do černé, nebo ořezalo jasné oblasti do bílé; dobré mapování tónů obětuje část věrnosti absolutního jasu, aby zachovalo detaily na obou koncích rozsahu, a výstup vypadá mnohem blíže tomu, co oko ve scéně skutečně vidí, než kdy dokázala jakákoli jediná expozice senzoru.