4.7. Экспозиция и усиление¶

Две регулировки изменяют то, насколько ярко каждая пиксельная ячейка передаётся остальной части конвейера:

Время экспозиции (также называемое временем интегрирования) – как долго фотодиоду позволено накапливать заряд перед считыванием.
Аналоговое усиление – множитель, применяемый к считываемому напряжению встроенным усилителем перед АЦП.

Обе регулировки делают записанное изображение ярче, но достигают этого по-разному, и каждая несёт свою цену.

4.7.1. Время экспозиции¶

Более длительная экспозиция означает, что каждая ячейка накапливает больше электронов за кадр, поэтому цифровой отсчёт для той же сцены получается выше. Уменьшение экспозиции вдвое примерно вдвое уменьшает отсчёт; удвоение примерно удваивает его. Зависимость линейна вплоть до насыщения потенциальной ямы.

Цена – движение. Ячейка записывает усреднённый свет, поступающий на неё в течение всего окна интегрирования, поэтому любой объект, который заметно перемещается за это окно, размазывается по нескольким пикселям – это размытие движения. Идущий человек при экспозиции 1/30 с размывается на несколько пикселей; тот же человек при 1/500 с выглядит резким.

Длительная экспозиция также приближает ячейку к насыщению, поэтому в хорошо освещённых сценах экспозицию приходится снижать, даже несмотря на то что яркость в норме – иначе светлые участки будут срезаны.

4.7.2. Аналоговое усиление¶

Аналоговое усиление – это небольшой усилитель между считыванием фотодиода и АЦП. Напряжение сигнала умножается на коэффициент усиления перед оцифровкой, поэтому то же количество электронов в итоге считывается как большее число. Усиление обычно выражается в децибелах (дБ); удвоение усиления составляет +6 дБ.

Усиление помогает при освещении, слишком тусклом, чтобы экспонировать дольше – когда увеличение экспозиции либо снизило бы частоту кадров ниже потребностей приложения, либо внесло бы слишком много размытия движения. Цена – шум. Усилитель умножает уровень шума вместе с сигналом, поэтому отношение сигнал/шум не улучшается при увеличении усиления. Высокое усиление даёт более зернистое, более шумное изображение при той же яркости сцены, что и низкое усиление.

Некоторые датчики также предоставляют регулировку цифрового усиления, которая представляет собой целочисленный множитель после АЦП. Цифровое усиление ещё хуже для картины шума, чем аналоговое, поскольку оно также усиливает шум квантования АЦП. Прибегайте к нему в последнюю очередь.

4.7.3. Автоэкспозиция и автоусиление¶

Реальным камерам нужно работать со сценами, охватывающими огромный диапазон яркости – тусклая комната в помещении и залитое солнцем окно в одном поле зрения. Два контура управления регулируют эти параметры в реальном времени:

Автоматическое управление экспозицией (AEC) измеряет среднее значение пикселей в недавнем кадре (часто со взвешиванием в сторону центра или со взвешиванием в сторону от самых ярких пикселей) и регулирует время экспозиции, чтобы привести это среднее к целевому значению.
Автоматическое управление усилением (AGC) делает то же самое с аналоговым усилением, обычно как запасной вариант, когда время экспозиции уже доведено до безопасного максимума.

Порядок имеет значение. Регулировка сначала экспозиции, а затем усиления даёт наилучшее отношение сигнал/шум для заданной целевой яркости, поскольку экспозиция собирает больше сигнала без усиления шума, тогда как усиление усиливает и то, и другое. Поэтому AEC и AGC работают по приоритету: экспозиция увеличивается первой, чтобы осветлить тусклую сцену, а усиление вступает в действие только после того, как экспозиция достигла своего потолка (заданного частотой кадров или явным лимитом на размытие движения).

4.7.4. Высокий динамический диапазон¶

AEC и AGC выбирают правильную яркость одного кадра для среднего по сцене, но в каждой сцене есть участки ярче и темнее среднего. Одна экспозиция может охватить лишь часть этого диапазона за раз – короткие экспозиции сохраняют светлые участки, но погружают тени в шум считывания; длинные экспозиции вытягивают тени, но срезают светлые участки на насыщении. Динамический диапазон датчика – отношение между самым ярким пикселем, который он может записать без срезания, и самым тёмным, который он может отличить от шума – фиксирован ёмкостью полной потенциальной ямы фотодиода и уровнем шума считывания, и у многих сцен диапазон шире, чем датчик может захватить за один кадр. Залитое солнцем окно в тускло освещённой комнате – классический пример.

Формирование изображений с высоким динамическим диапазоном (HDR) обходит это ограничение, объединяя две или более экспозиции одной и той же сцены – как минимум короткую и длинную, иногда больше – в один выходной кадр. Короткие экспозиции сохраняют светлые участки без насыщения; длинные экспозиции вытягивают тени из уровня шума. Объединённое изображение берёт светлые участки из коротких кадров, а тени – из длинных, в итоге получая больше полезного динамического диапазона, чем мог бы передать любой отдельный входной кадр сам по себе.

Объединение может происходить вне микросхемы, когда программное обеспечение сшивает серию из нескольких кадров, или на самой микросхеме, когда датчик чередует строки с короткой и длинной экспозицией в попеременных строках развёртки или пропускает каждый пиксель через два тракта считывания с различными коэффициентами усиления преобразования. В любом случае результат – это один кадр с большим числом битов динамического диапазона, чем фотодиод мог бы записать за один снимок.

Этот кадр с расширенным диапазоном нельзя отобразить напрямую. Буфер кадра и любой потребитель ниже по тракту работают с фиксированной разрядностью (обычно 8 бит на канал), тогда как сигнал HDR может достигать 12, 16 или более бит. Тональная компрессия сжимает дополнительные биты обратно до выходной разрядности, применяя нелинейную кривую, которая сохраняет видимыми детали как в тенях, так и в светлых участках. Простое линейное масштабирование сигнала HDR либо раздавило бы тусклые области в чёрный, либо срезало бы яркие области в белый; хорошая тональная карта жертвует частью точности абсолютной яркости ради сохранения детализации на обоих концах диапазона, и выходное изображение выглядит гораздо ближе к тому, что глаз действительно видит в сцене, чем когда-либо могла бы передать одна экспозиция датчика.