4.7. 曝光與增益¶

有兩個旋鈕可以改變每個像素單元向管線其餘部分回報的亮度：

曝光時間（也稱為積分時間）——光電二極體在讀出前被允許收集電荷的時間長度。
類比增益——在 ADC 之前，由晶片上的放大器施加於讀出電壓的乘數。

這兩個旋鈕都會讓記錄下來的影像變亮，但其達成方式不同，且各有各的代價。

4.7.1. 曝光時間¶

曝光時間越長，意味著每個單元在每一影格收集的電子越多，因此對於同一場景，數位計數值會更高。曝光時間減半，計數值大致減半；加倍則大致加倍。在井區飽和之前，這個關係是線性的。

其代價是運動。單元記錄的是整個積分視窗期間到達它的平均光量，因此在該視窗內移動了明顯距離的任何物體，都會被塗抹在多個像素上——即動態模糊。一個行走中的人在 1/30 秒曝光下會模糊跨越數個像素；同一個人在 1/500 秒下則顯得清晰。

長曝光也會讓單元更接近飽和，因此在光線充足的場景中，即使亮度沒問題，曝光也必須降低——否則高光部分會被削平。

4.7.2. 類比增益¶

類比增益是位於光電二極體讀出端與 ADC 之間的小型放大器。訊號電壓在被數位化之前會先乘以增益，因此同樣數量的電子最終會讀出為更大的數值。增益通常以分貝（dB）表示；增益加倍即為 +6 dB。

在光線太暗、無法再延長曝光的情況下，增益會有所幫助——此時延長曝光要麼會讓影格率降至低於應用所需，要麼會引入過多的動態模糊。其代價是雜訊。放大器在放大訊號的同時也放大了雜訊底線，因此增加增益並不會改善訊雜比。在與低增益相同的場景亮度下，高增益會產生顆粒感更重、雜訊更多的影像。

有些感測器還提供一個數位增益旋鈕，它是 ADC 之後的整數乘數。就雜訊表現而言，數位增益甚至比類比增益更糟，因為它還會放大來自 ADC 的量化雜訊。請把它留到最後才用。

4.7.3. 自動曝光與自動增益¶

真實的相機需要處理橫跨極大亮度範圍的場景——同一個視野中，可能同時有昏暗的室內房間與灑滿陽光的窗戶。有兩個控制迴路會即時調整這些旋鈕：

自動曝光控制（AEC）會量測近期影格中的平均像素值（通常會朝中央加權，或避開最亮的像素加權），並調整曝光時間，使該平均值趨向某個目標值。
自動增益控制（AGC）則對類比增益做同樣的事，通常是在曝光時間已被推到其安全上限後，作為後備手段。

順序很重要。先調曝光、後調增益，對於給定的目標亮度可獲得最佳的訊雜比，因為曝光在不放大雜訊的情況下收集更多訊號，而增益則同時放大兩者。因此 AEC 與 AGC 依優先順序運作：要讓昏暗場景變亮時，先增加曝光，唯有當曝光達到其上限（由影格率或明確的動態模糊預算所設定）後，增益才會介入。

4.7.4. 高動態範圍¶

AEC 與 AGC 為場景的平均值挑選出正確的單影格亮度，但每個場景都有比平均值更亮與更暗的部分。單次曝光一次只能涵蓋該範圍的一部分——短曝光保留高光，卻把陰影埋沒在讀出雜訊中；長曝光拉起陰影，卻在飽和處削平高光。感測器的動態範圍——它能在不削平的情況下記錄的最亮像素，與它能從雜訊中分辨出的最暗像素之間的比值——由光電二極體的滿井容量與讀出雜訊底線所決定，而許多場景的範圍都比感測器在單一影格中所能捕捉的更寬。昏暗室內房間中一扇灑滿陽光的窗戶，就是典型的例子。

高動態範圍（HDR）成像透過將同一場景的兩次或多次曝光——至少是一短一長，有時更多——合併為單一輸出影格，來繞過這個限制。短曝光在不飽和的情況下保留高光；長曝光則把陰影從雜訊底線中拉出來。合併後的影像取用短影格的高光與長影格的陰影，最終得到的可用動態範圍，比任何單一輸入自身所能承載的都更廣。

合併可以在晶片外進行，由軟體拼接多影格的連拍；也可以在晶片內進行，由感測器在交替的掃描線中交錯排列短曝光與長曝光列，或讓每個像素通過兩條採用不同轉換增益的讀出路徑。無論哪種方式，結果都是一個動態範圍位元數比光電二極體在單次拍攝中所能記錄更多的影格。

這個擴展範圍的影格無法直接顯示。影格緩衝區及其下游的任何消費端都以固定的位元深度運作（通常為每通道 8 位元），而 HDR 訊號可達 12、16 甚至更多位元。色調對映（tone mapping）透過套用一條非線性曲線，將多出的位元壓縮回輸出深度，使陰影與高光的細節都保持可見。對 HDR 訊號做直接的線性縮放，要麼會把昏暗區域壓成全黑，要麼會把明亮區域削成全白；好的色調對映會犧牲部分絕對亮度的保真度，以保留範圍兩端的細節，而其輸出看起來會比任何單一感測器曝光更接近人眼在場景中實際所見。