4.7. Exposição e ganho¶

Dois ajustes alteram o brilho com que cada célula de pixel é reportada ao restante do pipeline:

Tempo de exposição (também chamado de tempo de integração) – por quanto tempo o fotodiodo pode coletar carga antes da leitura.
Ganho analógico – o multiplicador aplicado à tensão de leitura por um amplificador no chip antes do ADC.

Ambos os ajustes tornam a imagem registrada mais brilhante, mas o modo como chegam lá é diferente e cada um carrega seu próprio custo.

4.7.1. Tempo de exposição¶

Uma exposição mais longa significa que cada célula coleta mais elétrons por quadro, de modo que a contagem digital sai mais alta para a mesma cena. Reduzir a exposição pela metade reduz aproximadamente a contagem pela metade; dobrá-la aproximadamente a dobra. A relação é linear até que o poço sature.

O custo é o movimento. A célula registra a média da luz que chega a ela ao longo de toda a janela de integração, de modo que qualquer objeto que se mova uma distância perceptível durante essa janela fica borrado por vários pixels – borrão de movimento. Uma pessoa caminhando com exposição de 1/30 s borra ao longo de vários pixels; a mesma pessoa a 1/500 s aparece nítida.

Uma exposição longa também aproxima a célula da saturação, então em cenas bem iluminadas a exposição precisa diminuir mesmo que o brilho esteja adequado – caso contrário, as altas-luzes saturam.

4.7.2. Ganho analógico¶

O ganho analógico é um pequeno amplificador entre a leitura do fotodiodo e o ADC. A tensão do sinal é multiplicada pelo ganho antes de ser digitalizada, de modo que o mesmo número de elétrons acaba sendo lido como um número maior. O ganho geralmente é expresso em decibéis (dB); dobrar o ganho equivale a +6 dB.

O ganho ajuda em luz fraca demais para expor por mais tempo – onde estender a exposição reduziria a taxa de quadros abaixo das necessidades da aplicação ou introduziria borrão de movimento em excesso. O custo é o ruído. O amplificador multiplica o piso de ruído junto com o sinal, de modo que a relação sinal-ruído não melhora com mais ganho. Um ganho alto produz uma imagem mais granulada e ruidosa com o mesmo brilho de cena que um ganho baixo.

Alguns sensores também expõem um ajuste de ganho digital, que é um multiplicador inteiro pós-ADC. O ganho digital é ainda pior para o ruído do que o ganho analógico, pois também amplifica o ruído de quantização do ADC. Recorra a ele por último.

4.7.3. Exposição automática e ganho automático¶

Câmeras reais precisam lidar com cenas que abrangem uma enorme faixa de brilho – uma sala interna escura e uma janela ensolarada no mesmo campo de visão. Dois laços de controle ajustam os parâmetros em tempo real:

Controle automático de exposição (AEC) mede o valor médio de pixel no quadro recente (frequentemente ponderado em direção ao centro, ou ponderado para longe dos pixels mais brilhantes) e ajusta o tempo de exposição para levar essa média em direção a um alvo.
Controle automático de ganho (AGC) faz o mesmo com o ganho analógico, geralmente como recurso de reserva quando o tempo de exposição já foi levado ao seu máximo seguro.

A ordem importa. Ajustar a exposição primeiro e o ganho depois fornece a melhor relação sinal-ruído para um determinado brilho-alvo, já que a exposição coleta mais sinal sem amplificar ruído, enquanto o ganho amplifica ambos. AEC e AGC, portanto, trabalham por prioridade: a exposição aumenta primeiro para clarear uma cena escura, e o ganho só entra em ação quando a exposição atinge seu teto (definido pela taxa de quadros ou por um orçamento explícito de borrão de movimento).

4.7.4. Alta faixa dinâmica¶

AEC e AGC escolhem o brilho correto de quadro único para a média da cena, mas toda cena tem partes mais brilhantes e mais escuras que a média. Uma única exposição só consegue cobrir uma parte dessa faixa de cada vez – exposições curtas preservam as altas-luzes mas escondem as sombras no ruído de leitura; exposições longas elevam as sombras mas saturam as altas-luzes. A faixa dinâmica do sensor – a razão entre o pixel mais brilhante que ele pode registrar sem saturar e o mais escuro que consegue distinguir do ruído – é fixada pela capacidade de poço cheio do fotodiodo e pelo piso de ruído de leitura, e muitas cenas têm uma faixa mais ampla do que o sensor consegue capturar em um único quadro. Uma janela ensolarada em uma sala interna escura é o exemplo clássico.

A imagem em alta faixa dinâmica (HDR) contorna o limite combinando duas ou mais exposições da mesma cena – no mínimo uma curta e uma longa, às vezes mais – em um único quadro de saída. As exposições curtas preservam as altas-luzes sem saturar; as exposições longas elevam as sombras para fora do piso de ruído. A imagem combinada toma as altas-luzes dos quadros curtos e as sombras dos longos, resultando em uma faixa dinâmica mais utilizável do que qualquer entrada isolada poderia carregar sozinha.

A combinação pode acontecer fora do chip, com software costurando uma rajada de múltiplos quadros, ou no chip, com o sensor intercalando linhas de exposição curta e longa em linhas de varredura alternadas ou passando cada pixel por dois caminhos de leitura com ganhos de conversão diferentes. De qualquer forma, o resultado é um quadro com mais bits de faixa dinâmica do que o fotodiodo poderia registrar em uma única captura.

Esse quadro de faixa estendida não é diretamente exibível. O framebuffer e qualquer consumidor a jusante dele operam em uma profundidade de bits fixa (geralmente 8 bits por canal), e o sinal HDR pode chegar a 12, 16 ou mais. O mapeamento de tons comprime os bits extras de volta para a profundidade de saída aplicando uma curva não linear que mantém visíveis tanto os detalhes de sombra quanto os de altas-luzes. Um escalonamento linear direto do sinal HDR esmagaria as regiões escuras até o preto ou saturaria as regiões claras até o branco; um bom mapa de tons abre mão de alguma fidelidade de brilho absoluto para reter detalhes em ambas as extremidades da faixa, e a saída fica muito mais próxima do que o olho realmente vê na cena do que qualquer exposição única do sensor jamais conseguiria.