4.7. Exposición y ganancia

Dos perillas cambian el brillo con el que cada celda de píxel se reporta al resto del pipeline:

• Tiempo de exposición (también llamado tiempo de integración): cuánto tiempo se permite al fotodiodo acumular carga antes de la lectura.

• Ganancia analógica: el multiplicador que aplica un amplificador en el chip al voltaje de lectura antes del ADC.

Ambas perillas hacen más brillante la imagen registrada, pero la forma en que lo logran es distinta y cada una conlleva su propio costo.

4.7.1. Tiempo de exposición

Una exposición más larga significa que cada celda acumula más electrones por fotograma, por lo que el conteo digital resulta mayor para la misma escena. Reducir a la mitad la exposición reduce aproximadamente a la mitad el conteo; duplicarla lo duplica aproximadamente. La relación es lineal hasta que el pozo se satura.

El costo es el movimiento. La celda registra la luz promedio que llega a ella a lo largo de toda la ventana de integración, por lo que cualquier objeto que se mueva una distancia apreciable durante esa ventana queda difuminado a lo largo de varios píxeles: desenfoque de movimiento. Una persona caminando con una exposición de 1/30 s se difumina a lo largo de varios píxeles; la misma persona con 1/500 s aparece nítida.

Una exposición larga también acerca la celda a la saturación, así que en escenas bien iluminadas la exposición tiene que bajar aunque el brillo esté bien; de lo contrario, las luces altas se recortan.

4.7.2. Ganancia analógica

La ganancia analógica es un pequeño amplificador entre la lectura del fotodiodo y el ADC. El voltaje de la señal se multiplica por la ganancia antes de digitalizarse, de modo que el mismo número de electrones termina leyéndose como un número mayor. La ganancia suele expresarse en decibelios (dB); duplicar la ganancia equivale a +6 dB.

La ganancia ayuda con luz demasiado tenue para exponer durante más tiempo, donde prolongar la exposición reduciría la tasa de fotogramas por debajo de lo que necesita la aplicación o introduciría demasiado desenfoque de movimiento. El costo es el ruido. El amplificador multiplica el suelo de ruido junto con la señal, por lo que la relación señal-ruido no mejora con más ganancia. Una ganancia alta produce una imagen más granulada y ruidosa con el mismo brillo de escena que una ganancia baja.

Algunos sensores también exponen una perilla de ganancia digital, que es un multiplicador entero posterior al ADC. La ganancia digital es aún peor para el panorama de ruido que la ganancia analógica, porque también amplifica el ruido de cuantización del ADC. Recurre a ella en último lugar.

4.7.3. Exposición automática y ganancia automática

Las cámaras reales necesitan manejar escenas que abarcan un enorme rango de brillo: una habitación interior tenue y una ventana iluminada por el sol en el mismo campo de visión. Dos bucles de control ajustan las perillas en tiempo real:

• El control automático de exposición (AEC) mide el valor promedio de píxel en el fotograma reciente (a menudo ponderado hacia el centro, o ponderado en contra de los píxeles más brillantes) y ajusta el tiempo de exposición para llevar ese promedio hacia un objetivo.

• El control automático de ganancia (AGC) hace lo mismo con la ganancia analógica, normalmente como recurso de respaldo una vez que el tiempo de exposición ya se ha llevado a su máximo seguro.

El orden importa. Ajustar primero la exposición y la ganancia en segundo lugar da la mejor relación señal-ruido para un brillo objetivo dado, ya que la exposición recoge más señal sin amplificar el ruido, mientras que la ganancia amplifica ambos. Por lo tanto, AEC y AGC funcionan por prioridad: la exposición aumenta primero para iluminar una escena tenue, y la ganancia solo entra en juego una vez que la exposición ha alcanzado su límite (fijado por la tasa de fotogramas o por un presupuesto explícito de desenfoque de movimiento).

4.7.4. Alto rango dinámico

AEC y AGC eligen el brillo correcto de un solo fotograma para el promedio de la escena, pero toda escena tiene partes más brillantes y más oscuras que el promedio. Una sola exposición solo puede cubrir una parte de ese rango a la vez: las exposiciones cortas preservan las luces altas pero hunden las sombras en el ruido de lectura; las exposiciones largas levantan las sombras pero recortan las luces altas en la saturación. El rango dinámico del sensor (la relación entre el píxel más brillante que puede registrar sin recorte y el más oscuro que puede distinguir del ruido) está fijado por la capacidad de pozo lleno del fotodiodo y el suelo de ruido de lectura, y muchas escenas tienen un rango más amplio del que el sensor puede capturar en un solo fotograma. Una ventana iluminada por el sol en una habitación interior tenue es el ejemplo clásico.

La imagen de alto rango dinámico (HDR) sortea el límite combinando dos o más exposiciones de la misma escena (como mínimo una corta y una larga, a veces más) en un único fotograma de salida. Las exposiciones cortas preservan las luces altas sin saturar; las exposiciones largas sacan las sombras del suelo de ruido. La imagen combinada toma las luces altas de los fotogramas cortos y las sombras de los largos, terminando con más rango dinámico utilizable del que cualquier entrada individual podría aportar por sí sola.

La combinación puede ocurrir fuera del chip, con software uniendo una ráfaga de varios fotogramas, o en el chip, con el sensor intercalando filas de exposición corta y larga en líneas de barrido alternadas o pasando cada píxel por dos rutas de lectura con diferentes ganancias de conversión. De cualquier modo, el resultado es un fotograma con más bits de rango dinámico de los que el fotodiodo podría registrar en una sola toma.

Ese fotograma de rango extendido no se puede mostrar directamente. El framebuffer y cualquier consumidor situado más adelante funcionan con una profundidad de bits fija (normalmente 8 bits por canal), y la señal HDR puede llegar a 12, 16 o más. El mapeo tonal comprime los bits adicionales de vuelta a la profundidad de salida aplicando una curva no lineal que mantiene visible el detalle tanto de las sombras como de las luces altas. Un escalado lineal directo de la señal HDR aplastaría las regiones oscuras hasta el negro o recortaría las regiones brillantes hasta el blanco; un buen mapeo tonal cede algo de fidelidad de brillo absoluto para conservar el detalle en ambos extremos del rango, y la salida se parece mucho más a lo que el ojo realmente ve en la escena de lo que jamás podría lograr una sola exposición del sensor.