4.7. Expozíció és erősítés

Két szabályzógomb változtatja meg, hogy az egyes képpontcellák mennyire fényesnek jelennek meg a folyamat többi része számára:

• Expozíciós idő (más néven integrációs idő) – mennyi ideig gyűjthet töltést a fotodióda a kiolvasás előtt.

• Analóg erősítés – a kiolvasási feszültségre egy chipen lévő erősítő által alkalmazott szorzó az ADC előtt.

Mindkét szabályzógomb fényesebbé teszi a rögzített képet, de az út, ahogyan ezt elérik, eltérő, és mindegyiknek megvan a maga ára.

4.7.1. Expozíciós idő

A hosszabb expozíció azt jelenti, hogy minden cella több elektront gyűjt képkockánként, így ugyanahhoz a jelenethez magasabb digitális érték adódik. Az expozíció felezése nagyjából felezi az értéket; megduplázása nagyjából megduplázza. A kapcsolat lineáris egészen addig, amíg a tartály telítődik.

Az ára a mozgás. A cella az integrációs ablak teljes ideje alatt rá érkező fény átlagát rögzíti, így bármely tárgy, amely az ablak alatt érzékelhető távolságot mozog, több képpontra elkenődik – mozgási elmosódás. Egy sétáló személy 1/30 s expozíciónál több képponton elmosódik; ugyanaz a személy 1/500 s-nál élesnek tűnik.

A hosszú expozíció a cellát a telítettséghez is közelebb hozza, így jól megvilágított jeleneteknél az expozíciót lefelé kell vinni még akkor is, ha a fényesség rendben van – különben a csúcsfények levágódnak.

4.7.2. Analóg erősítés

Az analóg erősítés egy kis erősítő a fotodióda kiolvasása és az ADC között. A jelfeszültséget az erősítéssel megszorozza, mielőtt digitalizálja, így ugyanannyi elektron végül nagyobb számként olvasódik be. Az erősítést általában decibelben (dB) fejezik ki; az erősítés megduplázása +6 dB.

Az erősítés segít a túl gyenge fényben ahhoz, hogy tovább exponálni lehessen – ahol az expozíció meghosszabbítása vagy az alkalmazás igényei alá süllyesztené a képkockasebességet, vagy túl sok mozgási elmosódást vezetne be. Az ára a zaj. Az erősítő a jellel együtt a zajküszöböt is megszorozza, így a jel-zaj viszony nem javul több erősítéssel. A nagy erősítés szemcsésebb, zajosabb képet eredményez ugyanazon jelenetfényesség mellett, mint az alacsony erősítés.

Egyes érzékelők egy digitális erősítés szabályzógombot is felkínálnak, amely egy ADC utáni egész szorzó. A digitális erősítés a zaj szempontjából még az analóg erősítésnél is rosszabb, mert az ADC kvantálási zaját is felerősíti. Ehhez nyúlj utoljára.

4.7.3. Automatikus expozíció és automatikus erősítés

A valódi kameráknak olyan jeleneteket kell kezelniük, amelyek hatalmas fényességtartományt fognak át – egy homályos beltéri szoba és egy napsütötte ablak ugyanabban a látótérben. Két vezérlőhurok valós időben állítja a szabályzógombokat:

• Automatikus expozícióvezérlés (AEC) megméri a legutóbbi képkocka átlagos képpontértékét (gyakran a középre súlyozva, vagy a legfényesebb képpontoktól elsúlyozva), és úgy állítja az expozíciós időt, hogy azt az átlagot egy célérték felé hajtsa.

• Automatikus erősítésvezérlés (AGC) ugyanezt teszi az analóg erősítéssel, általában tartalékként, miután az expozíciós időt már a biztonságos maximumára tolták.

A sorrend számít. Ha először az expozíciót, másodszor az erősítést állítjuk, az adott célfényesség mellett a legjobb jel-zaj viszonyt adja, mivel az expozíció több jelet gyűjt zajerősítés nélkül, míg az erősítés mindkettőt felerősíti. Az AEC és az AGC ezért prioritásban dolgozik: az expozíció nő először, hogy egy homályos jelenetet fényesebbé tegyen, és az erősítés csak akkor lép be, amikor az expozíció elérte a felső határát (amelyet a képkockasebesség vagy egy explicit mozgási elmosódási keret szab meg).

4.7.4. Nagy dinamikatartomány

Az AEC és az AGC a jelenet átlagához választja meg a megfelelő egy-képkockás fényességet, de minden jelenetnek vannak az átlagnál fényesebb és sötétebb részei. Egyetlen expozíció ennek a tartománynak egyszerre csak egy részét tudja lefedni – a rövid expozíciók megőrzik a csúcsfényeket, de az árnyékokat a kiolvasási zajba temetik; a hosszú expozíciók felhozzák az árnyékokat, de a csúcsfényeket a telítettségnél levágják. Az érzékelő dinamikatartományát – a legfényesebb képpont, amelyet levágás nélkül rögzíteni tud, és a legsötétebb, amelyet a zajtól meg tud különböztetni, közötti arányt – a fotodióda teljes tartálykapacitása és a kiolvasási zajküszöb rögzíti, és sok jelenetnek szélesebb a tartománya, mint amennyit az érzékelő egyetlen képkockában rögzíteni tud. Egy napsütötte ablak egy homályos beltéri szobában a klasszikus példa.

A nagy dinamikatartományú (HDR) képalkotás úgy kerüli meg a korlátot, hogy ugyanazon jelenet két vagy több expozícióját – legalább egy rövidet és egy hosszút, néha többet – egyetlen kimeneti képkockává kombinálja. A rövid expozíciók telítődés nélkül megőrzik a csúcsfényeket; a hosszú expozíciók felhúzzák az árnyékokat a zajküszöb fölé. A kombinált kép a csúcsfényeket a rövid képkockákból, az árnyékokat a hosszúakból veszi, és így nagyobb használható dinamikatartományt eredményez, mint amennyit bármelyik bemenet önmagában hordozhatna.

A kombinálás történhet a chipen kívül, ahol szoftver fűz össze egy többképkockás sorozatot, vagy a chipen, ahol az érzékelő rövid és hosszú expozíciójú sorokat sző egymásba felváltott pásztázósorokban, vagy minden képpontot két kiolvasási útvonalon futtat át különböző konverziós erősítésekkel. Bárhogy is, az eredmény egy képkocka, amelynek több dinamikatartomány-bitje van, mint amennyit a fotodióda egyetlen felvételben rögzíthetne.

Ez a kiterjesztett tartományú képkocka nem jeleníthető meg közvetlenül. A képkocka-puffer és minden lefelé lévő fogyasztója rögzített bitmélységgel működik (általában csatornánként 8 bittel), a HDR jel pedig 12, 16 vagy több bitig terjedhet. A tónusleképezés visszatömöríti a többletbiteket a kimeneti mélységre úgy, hogy egy nemlineáris görbét alkalmaz, amely mind az árnyék-, mind a csúcsfény-részleteket láthatóan tartja. A HDR jel egyszerű lineáris skálázása vagy feketére zúzná a homályos területeket, vagy fehérre vágná a fényes területeket; egy jó tónusleképezés feláldoz némi abszolút fényességhűséget, hogy a tartomány mindkét végén megtartsa a részleteket, és a kimenet sokkal közelebb néz ki ahhoz, amit a szem ténylegesen lát a jelenetben, mint bármelyik egyedi érzékelőexpozíció valaha is tudna.