4.7. Exponering och förstärkning

Två reglage ändrar hur ljust varje pixelcell rapporteras till resten av pipelinen:

  • Exponeringstid (även kallad integrationstid) – hur länge fotodioden tillåts samla laddning innan utläsningen.

  • Analog förstärkning – multiplikatorn som appliceras på utläsningsspänningen av en förstärkare på chippet före ADC:n.

Båda reglagen gör den inspelade bilden ljusare, men sättet de uppnår det på skiljer sig och vart och ett medför sin egen kostnad.

4.7.1. Exponeringstid

Längre exponering innebär att varje cell samlar fler elektroner per bildruta, så det digitala värdet blir högre för samma scen. Att halvera exponeringen halverar ungefär värdet; att fördubbla den fördubblar ungefär. Sambandet är linjärt fram till dess att brunnen mättas.

Kostnaden är rörelse. Cellen registrerar det genomsnittliga ljus som når den under hela integrationsfönstret, så alla objekt som rör sig en märkbar sträcka under det fönstret smetas ut över flera pixlar – rörelseoskärpa. En gående person vid 1/30 s exponering blir suddig över flera pixlar; samma person vid 1/500 s framstår skarp.

Lång exponering för också cellen närmare mättnad, så i väl upplysta scener måste exponeringen ned trots att ljusstyrkan är bra – annars klipps de ljusaste partierna.

4.7.2. Analog förstärkning

Analog förstärkning är en liten förstärkare mellan fotodiodens utläsning och ADC:n. Signalspänningen multipliceras med förstärkningen innan den digitaliseras, så samma antal elektroner slutar med att läsas som ett större tal. Förstärkning uttrycks vanligtvis i decibel (dB); en fördubbling av förstärkningen är +6 dB.

Förstärkning hjälper i ljus som är för svagt för att exponera längre – där en förlängning av exponeringen antingen skulle sänka bildfrekvensen under applikationens behov eller införa för mycket rörelseoskärpa. Kostnaden är brus. Förstärkaren multiplicerar brusgolvet tillsammans med signalen, så signal-brusförhållandet förbättras inte med mer förstärkning. Hög förstärkning ger en grynigare, brusigare bild vid samma scenljusstyrka som låg förstärkning.

Vissa sensorer erbjuder också ett reglage för digital förstärkning, vilket är en heltalsmultiplikator efter ADC:n. Digital förstärkning är ännu sämre för brusbilden än analog förstärkning, eftersom den även förstärker kvantiseringsbruset från ADC:n. Använd den sist.

4.7.3. Autoexponering och autoförstärkning

Riktiga kameror behöver hantera scener som spänner över ett enormt ljusstyrkeomfång – ett dunkelt inomhusrum och ett solbelyst fönster i samma synfält. Två styrslingor justerar reglagen i realtid:

  • Automatisk exponeringsstyrning (AEC) mäter det genomsnittliga pixelvärdet i den senaste bildrutan (ofta viktat mot mitten, eller viktat bort från de ljusaste pixlarna) och justerar exponeringstiden för att driva det genomsnittet mot ett mål.

  • Automatisk förstärkningsstyrning (AGC) gör samma sak med analog förstärkning, vanligtvis som en reservlösning när exponeringstiden redan har drivits till sitt säkra maximum.

Ordningen spelar roll. Att justera exponeringen först och förstärkningen sedan ger det bästa signal-brusförhållandet för en given målljusstyrka, eftersom exponering samlar mer signal utan att förstärka brus, medan förstärkning förstärker bådadera. AEC och AGC arbetar därför i prioritetsordning: exponeringen ökas först för att lysa upp en dunkel scen, och förstärkning träder in först när exponeringen har nått sitt tak (satt av bildfrekvensen eller av en uttrycklig budget för rörelseoskärpa).

4.7.4. Högt dynamiskt omfång

AEC och AGC väljer rätt ljusstyrka för en enskild bildruta utifrån scenens genomsnitt, men varje scen har partier som är ljusare och dunklare än genomsnittet. En enskild exponering kan bara täcka så mycket av det omfånget på en gång – korta exponeringar bevarar de ljusaste partierna men begraver skuggorna i utläsningsbrus; långa exponeringar lyfter upp skuggorna men klipper de ljusaste partierna vid mättnad. Sensorns dynamiska omfång – förhållandet mellan den ljusaste pixel den kan registrera utan att klippa och den mörkaste den kan skilja från brus – bestäms av fotodiodens fulla brunnskapacitet och utläsningsbrusgolvet, och många scener har ett bredare omfång än vad sensorn kan fånga i en enda bildruta. Ett solbelyst fönster i ett dunkelt inomhusrum är det klassiska exemplet.

Avbildning med högt dynamiskt omfång (HDR) kringgår begränsningen genom att kombinera två eller flera exponeringar av samma scen – som minst en kort och en lång, ibland fler – till en enda utbildruta. De korta exponeringarna bevarar de ljusaste partierna utan att mättas; de långa exponeringarna lyfter upp skuggorna ur brusgolvet. Den kombinerade bilden tar de ljusaste partierna från de korta bildrutorna och skuggorna från de långa, och slutar med mer användbart dynamiskt omfång än någon enskild ingång skulle kunna bära på egen hand.

Kombineringen kan ske utanför chippet, med programvara som sömmar ihop en serie av flera bildrutor, eller på chippet, med sensorn som varvar rader med kort och lång exponering i alternerande svepningslinjer eller kör varje pixel genom två utläsningsvägar med olika konverteringsförstärkningar. Hur som helst blir resultatet en bildruta med fler bitar dynamiskt omfång än vad fotodioden kunde registrera i en enda tagning.

Den bildruta med utökat omfång går inte att visa direkt. Bildbufferten och alla konsumenter nedströms från den körs med ett fast bitdjup (vanligtvis 8 bitar per kanal), och HDR-signalen kan gå upp till 12, 16 eller fler. Tonmappning komprimerar de extra bitarna ned till utdatadjupet genom att tillämpa en olinjär kurva som håller både skugg- och högdagerdetaljer synliga. En rak linjär skalning av HDR-signalen skulle antingen krossa de dunkla områdena till svart eller klippa de ljusa områdena till vitt; en bra tonmappning ger upp en del absolut ljusstyrketrohet för att behålla detaljer i båda ändar av omfånget, och utdatan ser mycket närmare ut det ögat faktiskt ser i scenen än någon enskild sensorexponering någonsin skulle kunna.