4.7. Valotus ja vahvistus

Kaksi säädintä muuttaa sitä, kuinka kirkkaana kukin pikselisolu raportoidaan muulle putkelle:

  • Valotusaika (kutsutaan myös integrointiajaksi) – kuinka kauan fotodiodin annetaan kerätä varausta ennen lukemista.

  • Analoginen vahvistus – kerroin, jonka sirulla oleva vahvistin lisää lukuvaihteen jännitteeseen ennen ADC:tä.

Molemmat säätimet tekevät tallennetusta kuvasta kirkkaamman, mutta tapa jolla ne siihen pääsevät on erilainen ja kummallakin on oma hintansa.

4.7.1. Valotusaika

Pidempi valotus tarkoittaa, että kukin solu kerää enemmän elektroneja kehystä kohti, joten digitaalinen lukema tulee korkeammaksi samalle näkymälle. Valotuksen puolittaminen suunnilleen puolittaa lukeman; sen kaksinkertaistaminen suunnilleen kaksinkertaistaa sen. Suhde on lineaarinen kunnes potentiaalikaivo kyllääntyy.

Hinta on liike. Solu tallentaa siihen koko integrointi-ikkunan aikana saapuvan keskimääräisen valon, joten mikä tahansa kohde, joka liikkuu havaittavan matkan tämän ikkunan aikana, leviää useille pikseleille – liike-epäterävyys. Kävelevä ihminen 1/30 s valotuksella sumentuu usean pikselin yli; sama ihminen 1/500 s valotuksella näyttää terävältä.

Pitkä valotus myös vie solun lähemmäs kyllästymistä, joten hyvin valaistuissa näkymissä valotuksen on tultava alas vaikka kirkkaus olisi kunnossa – muutoin kirkkaimmat kohdat leikkautuvat.

4.7.2. Analoginen vahvistus

Analoginen vahvistus on pieni vahvistin fotodiodin lukemisen ja ADC:n välissä. Signaalijännite kerrotaan vahvistuksella ennen sen digitointia, joten sama määrä elektroneja päätyy lukeutumaan suurempana numerona. Vahvistus ilmaistaan yleensä desibeleinä (dB); vahvistuksen kaksinkertaistuminen on +6 dB.

Vahvistus auttaa valossa, joka on liian himmeää valotettavaksi enää pidempään – missä valotuksen pidentäminen joko pudottaisi kehysnopeuden sovelluksen tarpeiden alle tai aiheuttaisi liikaa liike-epäterävyyttä. Hinta on kohina. Vahvistin kertoo kohinapohjan signaalin ohella, joten signaali-kohinasuhde ei parane vahvistusta lisäämällä. Korkea vahvistus tuottaa rakeisemman, kohinaisemman kuvan samalla näkymän kirkkaudella kuin matala vahvistus.

Jotkin sensorit tarjoavat myös digitaalisen vahvistuksen säätimen, joka on ADC:n jälkeinen kokonaislukukerroin. Digitaalinen vahvistus on kohinan kannalta vielä huonompi kuin analoginen vahvistus, koska se vahvistaa myös ADC:n kvantisointikohinaa. Turvaudu siihen viimeisenä.

4.7.3. Automaattivalotus ja automaattivahvistus

Oikeat kamerat joutuvat käsittelemään näkymiä, jotka kattavat valtavan kirkkausalueen – himmeä sisätila ja auringonvaloinen ikkuna samassa näkökentässä. Kaksi ohjaussilmukkaa säätää säätimiä reaaliajassa:

  • Automaattivalotuksen ohjaus (AEC) mittaa viimeaikaisen kehyksen keskimääräisen pikseliarvon (usein keskustaan painottaen tai kirkkaimmista pikseleistä poispäin painottaen) ja säätää valotusaikaa ohjatakseen tätä keskiarvoa kohti tavoitetta.

  • Automaattivahvistuksen ohjaus (AGC) tekee saman analogiselle vahvistukselle, yleensä varajärjestelmänä sen jälkeen kun valotusaika on jo työnnetty turvalliseen maksimiinsa.

Järjestyksellä on väliä. Valotuksen säätäminen ensin ja vahvistuksen toiseksi antaa parhaan signaali-kohinasuhteen annetulle tavoitekirkkaudelle, koska valotus kerää enemmän signaalia vahvistamatta kohinaa, kun taas vahvistus vahvistaa molempia. AEC ja AGC toimivat siksi prioriteetilla: valotus kasvaa ensin kirkastaakseen himmeää näkymää, ja vahvistus astuu peliin vasta kun valotus on saavuttanut kattonsa (jonka asettaa kehysnopeus tai eksplisiittinen liike-epäterävyysbudjetti).

4.7.4. Suuri dynamiikka-alue

AEC ja AGC valitsevat oikean yhden kehyksen kirkkauden näkymän keskiarvolle, mutta jokaisessa näkymässä on osia, jotka ovat keskiarvoa kirkkaampia ja himmeämpiä. Yksittäinen valotus voi kattaa vain rajatun osan tästä alueesta kerralla – lyhyet valotukset säilyttävät kirkkaat kohdat mutta hautaavat varjot lukukohinaan; pitkät valotukset nostavat varjot esiin mutta leikkaavat kirkkaat kohdat kyllästymisessä. Sensorin dynamiikka-alue – suhde kirkkaimman pikselin, jonka se voi tallentaa leikkautumatta, ja himmeimmän, jonka se voi erottaa kohinasta, välillä – on fotodiodin potentiaalikaivon kapasiteetin ja lukukohinapohjan määräämä, ja monilla näkymillä on laajempi alue kuin sensori pystyy vangitsemaan yhdessä kehyksessä. Auringonvaloinen ikkuna himmeässä sisätilassa on klassinen esimerkki.

Suuren dynamiikka-alueen (HDR) kuvantaminen kiertää rajoituksen yhdistämällä saman näkymän kaksi tai useampia valotuksia – vähintään lyhyen ja pitkän, joskus useampia – yhdeksi tulostuskehykseksi. Lyhyet valotukset säilyttävät kirkkaat kohdat kyllästymättä; pitkät valotukset nostavat varjot ylös kohinapohjasta. Yhdistetty kuva ottaa kirkkaat kohdat lyhyistä kehyksistä ja varjot pitkistä, päätyen suurempaan käyttökelpoiseen dynamiikka-alueeseen kuin mikään yksittäinen syöte voisi yksinään kantaa.

Yhdistäminen voi tapahtua sirun ulkopuolella, ohjelmiston ommellessa monikehyksisen sarjan yhteen, tai sirulla, sensorin lomittaessa lyhyt- ja pitkävalotteisia rivejä vuorottelevilla pyyhkäisylinjoilla tai ajaessa kunkin pikselin kahden lukuvaihteen läpi eri muunnosvahvistuksilla. Kummassakin tapauksessa tuloksena on yksi kehys, jossa on enemmän dynamiikka-alueen bittejä kuin fotodiodi pystyisi tallentamaan yhdellä otoksella.

Tämä laajennetun alueen kehys ei ole suoraan näytettävissä. Kehyspuskuri ja mikä tahansa sen alavirran kuluttaja toimivat kiinteällä bittisyvyydellä (yleensä 8 bittiä kanavaa kohti), ja HDR-signaali voi yltää 12, 16 tai useampaan bittiin. Sävykartoitus puristaa ylimääräiset bitit takaisin alas tulostussyvyyteen soveltamalla epälineaarista käyrää, joka pitää sekä varjojen että kirkkaiden kohtien yksityiskohdat näkyvissä. HDR-signaalin suoraviivainen lineaarinen skaalaus joko murskaisi himmeät alueet mustaksi tai leikkaisi kirkkaat alueet valkoiseksi; hyvä sävykartta luopuu jonkin verran absoluuttisen kirkkauden tarkkuudesta säilyttääkseen yksityiskohdat alueen molemmissa päissä, ja tuloste näyttää paljon lähempänä sitä, mitä silmä todellisuudessa näkee näkymässä, kuin mikään yksittäinen sensorivalotus koskaan voisi.