4.7. Expunere și amplificare¶

Două butoane de reglaj schimbă cât de luminos este raportat fiecare pixel către restul fluxului de procesare:

Timpul de expunere (numit și timp de integrare) – cât timp i se permite fotodiodei să acumuleze sarcină înainte de citire.
Amplificarea analogică (gain) – multiplicatorul aplicat tensiunii de citire de către un amplificator de pe cip înainte de ADC.

Ambele reglaje fac imaginea înregistrată mai luminoasă, dar modul în care ajung acolo este diferit și fiecare are propriul cost.

4.7.1. Timpul de expunere¶

O expunere mai lungă înseamnă că fiecare celulă acumulează mai mulți electroni pe cadru, așa că valoarea digitală rezultată este mai mare pentru aceeași scenă. Înjumătățirea expunerii înjumătățește aproximativ valoarea; dublarea ei o dublează aproximativ. Relația este liniară până când godeul se saturează.

Costul este mișcarea. Celula înregistrează lumina medie care ajunge la ea pe parcursul întregii ferestre de integrare, așa că orice obiect care se deplasează o distanță sesizabilă în timpul acelei ferestre este întins peste mai mulți pixeli – neclaritate de mișcare (motion blur). O persoană care merge, la o expunere de 1/30 s, devine neclară pe mai mulți pixeli; aceeași persoană la 1/500 s apare clară.

Expunerea lungă aduce, de asemenea, celula mai aproape de saturație, așa că în scenele bine iluminate expunerea trebuie să scadă chiar dacă luminozitatea este corespunzătoare – altfel zonele luminoase sunt tăiate (clipping).

4.7.2. Amplificarea analogică¶

Amplificarea analogică este un mic amplificator între citirea fotodiodei și ADC. Tensiunea semnalului este înmulțită cu amplificarea înainte de a fi digitizată, așa că același număr de electroni ajunge să fie citit ca un număr mai mare. Amplificarea este de obicei exprimată în decibeli (dB); o dublare a amplificării înseamnă +6 dB.

Amplificarea ajută la o lumină prea slabă pentru a mai prelungi expunerea – acolo unde extinderea expunerii ar reduce rata de cadre sub nevoile aplicației sau ar introduce prea multă neclaritate de mișcare. Costul este zgomotul. Amplificatorul multiplică pragul de zgomot odată cu semnalul, așa că raportul semnal-zgomot nu se îmbunătățește cu mai multă amplificare. O amplificare ridicată produce o imagine mai granulată, mai zgomotoasă, la aceeași luminozitate a scenei ca o amplificare scăzută.

Unii senzori expun și un reglaj de amplificare digitală, care este un multiplicator întreg după ADC. Amplificarea digitală este chiar mai dăunătoare pentru zgomot decât amplificarea analogică, deoarece amplifică și zgomotul de cuantizare de la ADC. Folosiți-o ultima.

4.7.3. Auto-expunere și auto-amplificare¶

Camerele reale trebuie să facă față scenelor care acoperă o gamă uriașă de luminozitate – o cameră interioară slab iluminată și o fereastră scăldată în soare în același câmp vizual. Două bucle de control reglează butoanele în timp real:

Controlul automat al expunerii (AEC) măsoară valoarea medie a pixelilor din cadrul recent (deseori ponderată spre centru sau ponderată în defavoarea celor mai luminoși pixeli) și reglează timpul de expunere pentru a aduce acea medie către o țintă.
Controlul automat al amplificării (AGC) face același lucru cu amplificarea analogică, de obicei ca rezervă odată ce timpul de expunere a fost deja dus la maximul său sigur.

Ordinea contează. Reglarea mai întâi a expunerii și apoi a amplificării oferă cel mai bun raport semnal-zgomot pentru o anumită luminozitate țintă, deoarece expunerea adună mai mult semnal fără a amplifica zgomotul, în timp ce amplificarea le amplifică pe ambele. Prin urmare, AEC și AGC funcționează în ordinea priorității: expunerea crește prima pentru a lumina o scenă întunecată, iar amplificarea intervine doar după ce expunerea și-a atins plafonul (stabilit de rata de cadre sau de un buget explicit de neclaritate de mișcare).

4.7.4. Gamă dinamică ridicată¶

AEC și AGC aleg luminozitatea corectă, pe un singur cadru, pentru media scenei, dar fiecare scenă are părți mai luminoase și mai întunecate decât media. O singură expunere poate acoperi doar o parte din acea gamă deodată – expunerile scurte păstrează zonele luminoase, dar îngroapă umbrele în zgomotul de citire; expunerile lungi ridică umbrele, dar taie zonele luminoase la saturație. Gama dinamică a senzorului – raportul dintre cel mai luminos pixel pe care îl poate înregistra fără tăiere și cel mai întunecat pe care îl poate distinge de zgomot – este fixată de capacitatea godeului fotodiodei și de pragul de zgomot de citire, iar multe scene au o gamă mai largă decât poate captura senzorul într-un singur cadru. O fereastră scăldată în soare într-o cameră interioară slab iluminată este exemplul clasic.

Imagistica cu gamă dinamică ridicată (HDR) ocolește limita prin combinarea a două sau mai multe expuneri ale aceleiași scene – cel puțin una scurtă și una lungă, uneori mai multe – într-un singur cadru de ieșire. Expunerile scurte păstrează zonele luminoase fără a se satura; expunerile lungi ridică umbrele afară din pragul de zgomot. Imaginea combinată preia zonele luminoase din cadrele scurte și umbrele din cele lungi, ajungând la o gamă dinamică utilizabilă mai mare decât ar putea transporta de unul singur oricare cadru de intrare.

Combinarea poate avea loc în afara cipului, cu software care unește o rafală de mai multe cadre, sau pe cip, senzorul intercalând rânduri cu expunere scurtă și lungă pe linii de scanare alternative, ori trecând fiecare pixel prin două căi de citire la amplificări de conversie diferite. În oricare caz, rezultatul este un singur cadru cu mai mulți biți de gamă dinamică decât ar fi putut înregistra fotodioda într-o singură captură.

Acel cadru cu gamă extinsă nu poate fi afișat direct. Framebufferul și orice consumator din avalul său rulează la o adâncime de biți fixă (de obicei 8 biți pe canal), iar semnalul HDR poate ajunge la 12, 16 sau mai mulți. Maparea tonală (tone mapping) comprimă biții suplimentari înapoi la adâncimea de ieșire prin aplicarea unei curbe neliniare care păstrează vizibile detaliile atât din umbre, cât și din zonele luminoase. O scalare liniară directă a semnalului HDR ar comprima fie zonele întunecate până la negru, fie ar tăia zonele luminoase la alb; o mapare tonală bună renunță la o parte din fidelitatea luminozității absolute pentru a reține detaliile la ambele capete ale gamei, iar rezultatul arată mult mai aproape de ceea ce ochiul vede de fapt în scenă decât ar fi putut vreodată orice singură expunere a senzorului.