4.7. Pozlama ve kazanç¶

Her piksel hücresinin işlem hattının geri kalanına ne kadar parlak bildirileceğini iki ayar değiştirir:

Pozlama süresi (entegrasyon süresi olarak da adlandırılır) – fotodiyodun okuma işleminden önce yük toplamasına ne kadar süre izin verildiği.
Analog kazanç – ADC’den önce çip üzerindeki bir yükselteç tarafından okuma gerilimine uygulanan çarpan.

Her iki ayar da kaydedilen görüntüyü daha parlak hale getirir, ancak buna ulaşma biçimleri farklıdır ve her birinin kendine özgü bir maliyeti vardır.

4.7.1. Pozlama süresi¶

Daha uzun pozlama, her hücrenin çerçeve başına daha fazla elektron toplaması anlamına gelir, böylece aynı sahne için dijital sayım daha yüksek çıkar. Pozlamayı yarıya indirmek sayımı kabaca yarıya indirir; iki katına çıkarmak kabaca iki katına çıkarır. İlişki, kuyu doygunluğa ulaşana kadar doğrusaldır.

Maliyeti harekettir. Hücre, tüm entegrasyon penceresi boyunca kendisine ulaşan ortalama ışığı kaydeder, bu nedenle o pencere sırasında belirgin bir mesafe hareket eden herhangi bir nesne birden fazla piksele yayılarak bulanıklaşır – hareket bulanıklığı. 1/30 sn pozlamada yürüyen bir kişi birkaç piksele yayılarak bulanıklaşır; aynı kişi 1/500 sn’de keskin görünür.

Uzun pozlama ayrıca hücreyi doygunluğa yaklaştırır, bu nedenle iyi aydınlatılmış sahnelerde parlaklık iyi olsa bile pozlamanın düşürülmesi gerekir – aksi takdirde parlak alanlar kesilir.

4.7.2. Analog kazanç¶

Analog kazanç, fotodiyot okuması ile ADC arasındaki küçük bir yükselteçtir. Sinyal gerilimi dijitalleştirilmeden önce kazançla çarpılır, böylece aynı sayıda elektron daha büyük bir sayı olarak okunur. Kazanç genellikle desibel (dB) cinsinden ifade edilir; kazancın iki katına çıkması +6 dB’dir.

Kazanç, daha uzun süre pozlamaya izin vermeyecek kadar loş ışıkta yardımcı olur – burada pozlamayı uzatmak ya çerçeve hızını uygulamanın ihtiyaçlarının altına düşürür ya da çok fazla hareket bulanıklığı oluştururdu. Maliyeti gürültüdür. Yükselteç gürültü tabanını da sinyalle birlikte çarpar, bu nedenle daha fazla kazançla sinyal-gürültü oranı iyileşmez. Yüksek kazanç, düşük kazançla aynı sahne parlaklığında daha taneli, daha gürültülü bir görüntü üretir.

Bazı sensörler ayrıca bir ADC sonrası tamsayı çarpanı olan dijital kazanç ayarı sunar. Dijital kazanç gürültü tablosu açısından analog kazançtan bile daha kötüdür, çünkü ADC’den gelen niceleme gürültüsünü de yükseltir. Buna en son başvurun.

4.7.3. Otomatik pozlama ve otomatik kazanç¶

Gerçek kameralar, çok geniş bir parlaklık aralığını kapsayan sahnelerin üstesinden gelmek zorundadır – aynı görüş alanında loş bir iç mekan ve güneşli bir pencere. İki kontrol döngüsü ayarları gerçek zamanlı olarak düzenler:

Otomatik pozlama kontrolü (AEC) son çerçevedeki ortalama piksel değerini ölçer (genellikle merkeze doğru ağırlıklandırılmış veya en parlak piksellerden uzaklaştırılarak ağırlıklandırılmış) ve bu ortalamayı bir hedefe doğru sürmek için pozlama süresini ayarlar.
Otomatik kazanç kontrolü (AGC) aynısını analog kazançla yapar; genellikle pozlama süresi zaten güvenli maksimumuna ulaştıktan sonra bir yedek olarak devreye girer.

Sıralama önemlidir. Önce pozlamayı, sonra kazancı ayarlamak, belirli bir hedef parlaklık için en iyi sinyal-gürültü oranını sağlar; çünkü pozlama gürültüyü yükseltmeden daha fazla sinyal toplar, kazanç ise her ikisini de yükseltir. Bu nedenle AEC ve AGC öncelik sırasına göre çalışır: loş bir sahneyi aydınlatmak için önce pozlama artar ve kazanç yalnızca pozlama tavanına (çerçeve hızı veya açık bir hareket bulanıklığı bütçesi tarafından belirlenen) ulaştığında devreye girer.

4.7.4. Yüksek dinamik aralık¶

AEC ve AGC, sahnenin ortalaması için doğru tek çerçeve parlaklığını seçer, ancak her sahnenin ortalamadan daha parlak ve daha loş kısımları vardır. Tek bir pozlama bu aralığın ancak bir kısmını aynı anda kapsayabilir – kısa pozlamalar parlak alanları korur ama gölgeleri okuma gürültüsüne gömer; uzun pozlamalar gölgeleri yukarı çeker ama parlak alanları doygunlukta keser. Sensörün dinamik aralığı – kesilmeden kaydedebildiği en parlak piksel ile gürültüden ayırt edebildiği en karanlık piksel arasındaki oran – fotodiyodun tam kuyu kapasitesi ve okuma gürültüsü tabanı tarafından sabitlenir ve birçok sahnenin aralığı, sensörün tek bir çerçevede yakalayabileceğinden daha geniştir. Loş bir iç mekandaki güneşli bir pencere klasik bir örnektir.

Yüksek dinamik aralık (HDR) görüntüleme, aynı sahnenin iki veya daha fazla pozlamasını – en azından bir kısa ve bir uzun, bazen daha fazla – tek bir çıktı çerçevesinde birleştirerek bu sınırı aşar. Kısa pozlamalar parlak alanları doygunluğa ulaşmadan korur; uzun pozlamalar gölgeleri gürültü tabanından yukarı çeker. Birleştirilen görüntü parlak alanları kısa çerçevelerden, gölgeleri ise uzun çerçevelerden alır ve sonuçta herhangi bir tek girdinin tek başına taşıyabileceğinden daha kullanışlı bir dinamik aralık elde edilir.

Birleştirme, çok çerçeveli bir patlamayı yazılımla birleştirerek çip dışında veya sensörün kısa ve uzun pozlama satırlarını ardışık tarama hatlarında iç içe geçirmesiyle ya da her pikseli farklı dönüşüm kazançlarında iki okuma yolundan geçirmesiyle çip üzerinde gerçekleşebilir. Her iki durumda da sonuç, fotodiyodun tek bir çekimde kaydedebileceğinden daha fazla dinamik aralık bitine sahip tek bir çerçevedir.

Bu genişletilmiş aralıklı çerçeve doğrudan görüntülenebilir değildir. Çerçeve arabelleği (frame buffer) ve ondan sonra gelen herhangi bir tüketici sabit bir bit derinliğinde (genellikle kanal başına 8 bit) çalışır, oysa HDR sinyali 12, 16 veya daha fazlasına ulaşabilir. Ton eşleme, hem gölge hem de parlak alan ayrıntısını görünür tutan doğrusal olmayan bir eğri uygulayarak fazladan bitleri çıkış derinliğine geri sıkıştırır. HDR sinyalinin düz doğrusal bir ölçeklendirmesi ya loş bölgeleri siyaha ezerdi ya da parlak bölgeleri beyaza keserdi; iyi bir ton eşleme, aralığın her iki ucunda da ayrıntıyı korumak için bir miktar mutlak parlaklık sadakatinden vazgeçer ve çıktı, herhangi bir tek sensör pozlamasının yapabileceğinden çok daha fazla gözün sahnede gerçekte gördüğüne benzer görünür.