4.7. Ekspozicija i pojačanje

Dva regulatora mijenjaju koliko se svijetlim svaka ćelija piksela prijavljuje ostatku cjevovoda:

  • Vrijeme ekspozicije (također zvano vrijeme integracije) – koliko dugo se fotodiodi dopušta skupljanje naboja prije očitanja.

  • Analogno pojačanje – množitelj koji na napon očitanja primjenjuje pojačalo na čipu prije ADC-a.

Oba regulatora čine snimljenu sliku svjetlijom, ali način na koji to postižu je različit i svaki nosi svoju cijenu.

4.7.1. Vrijeme ekspozicije

Dulja ekspozicija znači da svaka ćelija po sličici skuplja više elektrona, pa digitalni iznos za istu scenu ispada veći. Prepolovljavanje ekspozicije otprilike prepolovljava iznos; udvostručenje ga otprilike udvostručuje. Odnos je linearan sve dok se potencijalna jama ne zasiti.

Cijena je gibanje. Ćelija bilježi prosječno svjetlo koje na nju stiže tijekom cijelog prozora integracije, pa se svaki objekt koji se tijekom tog prozora pomakne na zamjetnu udaljenost razmaže preko više piksela – zamućenje gibanja. Osoba koja hoda pri ekspoziciji od 1/30 s zamuti se preko nekoliko piksela; ista osoba pri 1/500 s izgleda oštro.

Duga ekspozicija također dovodi ćeliju bliže zasićenju, pa u dobro osvijetljenim scenama ekspozicija mora pasti iako je svjetlina u redu – inače se najsvjetliji dijelovi odsijecaju.

4.7.2. Analogno pojačanje

Analogno pojačanje je malo pojačalo između očitanja fotodiode i ADC-a. Napon signala množi se s pojačanjem prije nego što se digitalizira, pa isti broj elektrona na kraju očitava kao veći broj. Pojačanje se obično izražava u decibelima (dB); udvostručenje pojačanja je +6 dB.

Pojačanje pomaže pri svjetlu koje je preslabo da bi se dulje eksponiralo – gdje bi produljenje ekspozicije ili spustilo broj sličica ispod potreba aplikacije ili unijelo previše zamućenja gibanja. Cijena je šum. Pojačalo množi prag šuma zajedno sa signalom, pa se omjer signala i šuma ne poboljšava s većim pojačanjem. Visoko pojačanje pri istoj svjetlini scene daje zrnatiju, bučniju sliku nego nisko pojačanje.

Neki senzori također nude regulator digitalnog pojačanja, koji je cjelobrojni množitelj nakon ADC-a. Digitalno pojačanje je za sliku šuma još gore od analognog pojačanja, jer pojačava i kvantizacijski šum iz ADC-a. Posegnite za njim posljednjim.

4.7.3. Automatska ekspozicija i automatsko pojačanje

Prave kamere moraju se nositi sa scenama koje obuhvaćaju ogroman raspon svjetline – zamračena prostorija u zatvorenom i suncem obasjan prozor u istom vidnom polju. Dvije upravljačke petlje prilagođavaju regulatore u stvarnom vremenu:

  • Automatska kontrola ekspozicije (AEC) mjeri prosječnu vrijednost piksela u nedavnoj sličici (često ponderiranu prema sredini, ili ponderiranu dalje od najsvjetlijih piksela) i prilagođava vrijeme ekspozicije kako bi taj prosjek doveo prema cilju.

  • Automatska kontrola pojačanja (AGC) čini isto s analognim pojačanjem, obično kao rezervna opcija nakon što je vrijeme ekspozicije već dovedeno do svog sigurnog maksimuma.

Redoslijed je važan. Prilagođavanje prvo ekspozicije, a zatim pojačanja daje najbolji omjer signala i šuma za zadanu ciljanu svjetlinu, budući da ekspozicija prikuplja više signala bez pojačavanja šuma, dok pojačanje pojačava oboje. AEC i AGC stoga rade po prioritetu: ekspozicija se prva povećava kako bi se posvijetlila zamračena scena, a pojačanje se uključuje tek nakon što ekspozicija dosegne svoju granicu (postavljenu brojem sličica ili eksplicitnim proračunom za zamućenje gibanja).

4.7.4. Visoki dinamički raspon

AEC i AGC odabiru pravu svjetlinu jedne sličice za prosjek scene, ali svaka scena ima dijelove svjetlije i tamnije od prosjeka. Jedna ekspozicija može pokriti samo dio tog raspona odjednom – kratke ekspozicije čuvaju najsvjetlije dijelove, ali sjene zatrpavaju šumom očitanja; duge ekspozicije izvlače sjene, ali najsvjetlije dijelove odsijecaju pri zasićenju. Dinamički raspon senzora – omjer između najsvjetlijeg piksela koji može snimiti bez odsijecanja i najtamnijeg koji može razlikovati od šuma – određen je kapacitetom pune jame fotodiode i pragom šuma očitanja, a mnoge scene imaju širi raspon nego što ga senzor može uhvatiti u jednoj sličici. Suncem obasjan prozor u zamračenoj prostoriji u zatvorenom klasičan je primjer.

Slikanje visokog dinamičkog raspona (HDR) zaobilazi granicu kombiniranjem dvije ili više ekspozicija iste scene – u najmanju ruku kratke i duge, ponekad više – u jednu izlaznu sličicu. Kratke ekspozicije čuvaju najsvjetlije dijelove bez zasićenja; duge ekspozicije izvlače sjene iznad praga šuma. Kombinirana slika uzima najsvjetlije dijelove iz kratkih sličica i sjene iz dugih, završavajući s više iskoristivog dinamičkog raspona nego što ga bilo koji pojedinačni ulaz može sam nositi.

Kombiniranje se može dogoditi izvan čipa, gdje softver spaja niz od više sličica, ili na čipu, gdje senzor isprepliće redove kratke i duge ekspozicije u naizmjeničnim linijama skeniranja ili svaki piksel provodi kroz dva puta očitanja pri različitim pojačanjima pretvorbe. U svakom slučaju rezultat je jedna sličica s više bitova dinamičkog raspona nego što ih je fotodioda mogla snimiti u jednom kadru.

Ta sličica proširenog raspona ne može se izravno prikazati. Međuspremnik slike i svaki potrošač nizvodno od njega rade na fiksnoj dubini bita (obično 8 bitova po kanalu), a HDR signal može ići do 12, 16 ili više. Mapiranje tonova sažima dodatne bitove natrag na izlaznu dubinu primjenom nelinearne krivulje koja zadržava vidljivima detalje i u sjeni i u najsvjetlijim dijelovima. Izravno linearno skaliranje HDR signala ili bi tamne regije zgnječilo u crno ili svijetle regije odsjeklo u bijelo; dobra mapa tonova odriče se dijela apsolutne vjernosti svjetline kako bi zadržala detalje na oba kraja raspona, a izlaz izgleda mnogo bliže onome što oko zapravo vidi u sceni nego što je to ikada mogla bilo koja pojedinačna ekspozicija senzora.