4.7. חשיפה והגבר

שני כפתורי כוונון משנים את מידת הבהירות שבה כל תא פיקסל מדווח לשאר הצינור:

• זמן חשיפה (נקרא גם זמן אינטגרציה) – כמה זמן מותר לפוטו-דיודה לצבור מטען לפני הקריאה.

• הגבר אנלוגי – המכפיל המוחל על מתח הקריאה על ידי מגבר על-גבי השבב לפני ה-ADC.

שני הכפתורים הופכים את התמונה המוקלטת לבהירה יותר, אך הדרך שבה הם משיגים זאת שונה, וכל אחד נושא עמו עלות משלו.

4.7.1. זמן חשיפה

חשיפה ארוכה יותר משמעה שכל תא צובר יותר אלקטרונים לכל פריים, ולכן הספירה הדיגיטלית יוצאת גבוהה יותר עבור אותה סצנה. חציית זמן החשיפה חוצה בקירוב את הספירה; הכפלתו מכפילה אותה בקירוב. הקשר ליניארי עד שהבאר מגיעה לרוויה.

העלות היא תנועה. התא מקליט את האור הממוצע המגיע אליו לאורך כל חלון האינטגרציה, ולכן כל עצם הזז למרחק ניכר במהלך חלון זה נמרח על פני פיקסלים רבים – טשטוש תנועה. אדם הולך בחשיפה של 1/30 שנייה מיטשטש על פני מספר פיקסלים; אותו אדם בחשיפה של 1/500 שנייה נראה חד.

חשיפה ארוכה גם מקרבת את התא לרוויה, ולכן בסצנות מוארות היטב על החשיפה לרדת למטה גם כשהבהירות תקינה – אחרת אזורי האור הבהירים נחתכים.

4.7.2. הגבר אנלוגי

הגבר אנלוגי הוא מגבר קטן בין קריאת הפוטו-דיודה ל-ADC. מתח האות מוכפל בהגבר לפני שהוא מומר לדיגיטלי, ולכן אותו מספר אלקטרונים נקרא בסופו של דבר כמספר גדול יותר. ההגבר מבוטא בדרך כלל בדציבלים (dB); הכפלת ההגבר היא +6 dB.

ההגבר מסייע באור עמום מכדי לחשוף זמן רב יותר – כאשר הארכת החשיפה הייתה מורידה את קצב הפריימים מתחת לצרכי היישום או מכניסה יותר מדי טשטוש תנועה. העלות היא רעש. המגבר מכפיל את רצפת הרעש יחד עם האות, ולכן יחס האות לרעש אינו משתפר עם הגבר רב יותר. הגבר גבוה מייצר תמונה גרגירית ורועשת יותר באותה בהירות סצנה כמו הגבר נמוך.

חלק מהחיישנים חושפים גם כפתור הגבר דיגיטלי, שהוא מכפיל שלם שלאחר ה-ADC. הגבר דיגיטלי גרוע אף יותר לתמונת הרעש מאשר הגבר אנלוגי, מפני שהוא מגביר גם את רעש הקוונטיזציה מה-ADC. השתמשו בו אחרון.

4.7.3. חשיפה אוטומטית והגבר אוטומטי

מצלמות אמיתיות צריכות להתמודד עם סצנות הפורשות טווח עצום של בהירות – חדר פנימי עמום וחלון מואר שמש באותו שדה ראייה. שני לולאות בקרה מכווננות את הכפתורים בזמן אמת:

• בקרת חשיפה אוטומטית (AEC) מודדת את ערך הפיקסל הממוצע בפריים האחרון (לעיתים קרובות משוקלל לכיוון המרכז, או משוקלל הרחק מהפיקסלים הבהירים ביותר) ומכווננת את זמן החשיפה כדי להוביל ממוצע זה אל יעד.

• בקרת הגבר אוטומטית (AGC) עושה את אותו הדבר עם ההגבר האנלוגי, בדרך כלל כברירת מחדל לאחר שזמן החשיפה כבר נדחף למקסימום הבטוח שלו.

הסדר חשוב. כוונון החשיפה תחילה וההגבר שנית מעניק את יחס האות לרעש הטוב ביותר עבור בהירות יעד נתונה, מכיוון שחשיפה אוספת יותר אות מבלי להגביר רעש, בעוד שהגבר מגביר את שניהם. לכן AEC ו-AGC פועלים לפי סדר עדיפויות: החשיפה גדלה תחילה כדי להאיר סצנה עמומה, וההגבר נכנס לפעולה רק לאחר שהחשיפה הגיעה לתקרתה (שנקבעת על ידי קצב הפריימים או על ידי תקציב מפורש של טשטוש תנועה).

4.7.4. טווח דינמי גבוה

AEC ו-AGC בוחרים את הבהירות הנכונה לפריים יחיד עבור הממוצע של הסצנה, אך לכל סצנה יש חלקים בהירים ועמומים מהממוצע. חשיפה יחידה יכולה לכסות רק חלק מאותו טווח בבת אחת – חשיפות קצרות משמרות את אזורי האור הבהירים אך קוברות את הצללים ברעש הקריאה; חשיפות ארוכות מושכות מעלה את הצללים אך חותכות את אזורי האור הבהירים ברוויה. הטווח הדינמי של החיישן – היחס בין הפיקסל הבהיר ביותר שהוא יכול להקליט ללא חיתוך לבין הכהה ביותר שהוא יכול להבחין בו מרעש – נקבע על ידי קיבולת הבאר המלאה של הפוטו-דיודה ורצפת רעש הקריאה, ולסצנות רבות יש טווח רחב יותר ממה שהחיישן יכול ללכוד בפריים אחד. חלון מואר שמש בחדר פנימי עמום הוא הדוגמה הקלאסית.

דמיית טווח דינמי גבוה (HDR) עוקפת את המגבלה על ידי שילוב של שתי חשיפות או יותר של אותה סצנה – לכל הפחות קצרה וארוכה, לעיתים יותר – לפריים פלט יחיד. החשיפות הקצרות משמרות את אזורי האור הבהירים ללא רוויה; החשיפות הארוכות מושכות את הצללים מעלה מתוך רצפת הרעש. התמונה המשולבת לוקחת את אזורי האור הבהירים מהפריימים הקצרים ואת הצללים מהארוכים, ומסתיימת עם טווח דינמי שמיש רב יותר מכל קלט יחיד שיכול היה לשאת בכוחות עצמו.

השילוב יכול להתרחש מחוץ לשבב, כאשר תוכנה תופרת רצף רב-פריימים, או על-גבי השבב, כאשר החיישן משלב שורות חשיפה קצרה וארוכה בקווי סריקה לסירוגין או מעביר כל פיקסל דרך שני מסלולי קריאה בהגברי המרה שונים. כך או כך התוצאה היא פריים אחד עם יותר ביטים של טווח דינמי משהפוטו-דיודה יכלה להקליט בצילום בודד.

פריים מורחב-טווח זה אינו ניתן להצגה ישירה. חוצץ הפריימים וכל צרכן במורד הזרם ממנו פועלים בעומק ביט קבוע (בדרך כלל 8 ביט לערוץ), ואות ה-HDR יכול להגיע ל-12, 16 או יותר. מיפוי טונים דוחס את הביטים הנוספים בחזרה לעומק הפלט על ידי החלת עקומה לא-ליניארית השומרת על נראות פרטי הצל ואזורי האור הבהירים כאחד. שינוי קנה מידה ליניארי ישיר של אות ה-HDR היה מועך את האזורים העמומים לשחור או חותך את האזורים הבהירים ללבן; מיפוי טונים טוב מוותר על מעט נאמנות בהירות מוחלטת כדי לשמר פרטים בשני קצות הטווח, והפלט נראה קרוב הרבה יותר למה שהעין באמת רואה בסצנה משחשיפת חיישן יחידה כלשהי יכלה אי-פעם.