4.7. Витримка і підсилення#

Два параметри визначають, наскільки яскраво кожен піксель передається далі по конвеєру:

  • Час витримки (також називається часом інтегрування) – як довго фотодіоду дозволено накопичувати заряд перед зчитуванням.

  • Аналогове підсилення – коефіцієнт, що застосовується до напруги зчитування вбудованим підсилювачем на мікросхемі перед ADC.

Обидва параметри роблять записане зображення яскравішим, але вони досягають цього по-різному, і кожен має свою ціну.

4.7.1. Час витримки#

Довша витримка означає, що кожна комірка накопичує більше електронів за кадр, тому для тієї самої сцени цифрове значення виявляється вищим. Зменшення витримки вдвічі приблизно вдвічі зменшує значення; подвоєння приблизно подвоює. Залежність лінійна до насичення комірки.

Ціна – рух. Комірка фіксує середнє світло, що потрапляє на неї протягом усього вікна інтегрування, тому будь-який об’єкт, що переміщується на помітну відстань протягом цього вікна, розмивається по кількох пікселях – розмиття в русі. Людина, що йде, при витримці 1/30 с розмивається на кілька пікселів; та сама людина при витримці 1/500 с виглядає чіткою.

Довга витримка також наближає комірку до насичення, тому в добре освітлених сценах витримку доводиться зменшувати, навіть якщо яскравість нормальна – інакше світлі ділянки відсікаються.

4.7.2. Аналогове підсилення#

Аналогове підсилення – це невеликий підсилювач між виходом фотодіода та ADC. Сигнальна напруга множиться на коефіцієнт підсилення перед оцифруванням, тому та сама кількість електронів читається як більше число. Підсилення зазвичай виражається в децибелах (дБ); подвоєння підсилення становить +6 дБ.

Підсилення допомагає при недостатньому освітленні, коли збільшити витримку неможливо – або через те, що подовження витримки знизить частоту кадрів нижче потрібного рівня, або через надмірне розмиття в русі. Ціна – шум. Підсилювач множить рівень шуму разом із сигналом, тому відношення сигнал/шум не покращується зі збільшенням підсилення. Велике підсилення дає зернистіше, шумніше зображення при тій самій яскравості сцени, що й мале підсилення.

Деякі датчики також надають параметр цифрового підсилення – цілочисельного множника після ADC. Цифрове підсилення ще більш шкідливе для шумових характеристик, ніж аналогове, оскільки воно також підсилює шум квантування від ADC. Вдаватися до нього слід в останню чергу.

4.7.3. Автоматична витримка і автоматичне підсилення#

Реальні камери повинні обробляти сцени з величезним діапазоном яскравості – тьмяна кімната та сонячне вікно в одному полі зору. Два контурні регулятори налаштовують параметри в режимі реального часу:

  • Автоматичне керування витримкою (AEC) вимірює середнє значення пікселів у недавньому кадрі (часто з ваговою функцією у бік центру або у бік найяскравіших пікселів) і регулює час витримки, щоб наблизити це середнє до цільового значення.

  • Автоматичне керування підсиленням (AGC) робить те саме з аналоговим підсиленням, зазвичай як резервний механізм після того, як час витримки вже досяг свого безпечного максимуму.

Порядок важливий. Регулювання спочатку витримки, а потім підсилення дає найкраще відношення сигнал/шум для заданої цільової яскравості, оскільки витримка збирає більше сигналу без підсилення шуму, тоді як підсилення підсилює обидва. Тому AEC і AGC працюють за пріоритетом: витримка збільшується спочатку для освітлення тьмяної сцени, а підсилення вмикається лише тоді, коли витримка досягла свого граничного значення (встановленого частотою кадрів або явним бюджетом розмиття в русі).

4.7.4. Широкий динамічний діапазон#

AEC і AGC підбирають правильну яскравість одного кадру для середнього значення сцени, але в кожній сцені є ділянки яскравіші та темніші за середнє. Одна витримка може охопити лише певну частину цього діапазону одночасно – коротка витримка зберігає світлі ділянки, але занурює тіні в шум зчитування; довга витримка витягує тіні, але відсікає світлі ділянки при насиченні. Динамічний діапазон датчика – відношення між найяскравішим пікселем, який він може записати без відсікання, і найтемнішим, який він може відрізнити від шуму – визначається повною ємністю фотодіода та рівнем шуму зчитування, і багато сцен мають ширший діапазон, ніж датчик може зафіксувати в одному кадрі. Класичний приклад – сонячне вікно в тьмяній кімнаті.

Зображення з широким динамічним діапазоном (HDR) обходить це обмеження, поєднуючи дві або більше витримок однієї сцени – щонайменше коротку і довгу, іноді більше – в один вихідний кадр. Короткі витримки зберігають світлі ділянки без насичення; довгі витримки витягують тіні з шумового рівня. Об’єднане зображення бере світлі ділянки з коротких кадрів і тіні з довгих, отримуючи більший використовуваний динамічний діапазон, ніж будь-яке окреме зображення могло б забезпечити.

Об’єднання може відбуватися поза мікросхемою, за допомогою програмного зшивання серії кількох кадрів, або на мікросхемі, де датчик чергує рядки з короткою і довгою витримкою в перемежованих рядках сканування або пропускає кожен піксель через два шляхи зчитування з різними коефіцієнтами перетворення. Так чи інакше, результатом є один кадр з більшою кількістю бітів динамічного діапазону, ніж фотодіод міг би записати за один знімок.

Цей кадр з розширеним діапазоном не можна безпосередньо відобразити. Кадровий буфер та будь-який споживач нижче по конвеєру працюють з фіксованою глибиною бітів (зазвичай 8 бітів на канал), а HDR сигнал може досягати 12, 16 або більше. Тональне відображення стискає додаткові біти назад до глибини виводу, застосовуючи нелінійну криву, яка зберігає видимими деталі як у тінях, так і у світлих ділянках. Пряме лінійне масштабування HDR сигналу або подавило б темні ділянки до чорного, або відсікало б світлі ділянки до білого; хороше тональне відображення жертвує абсолютною точністю яскравості, щоб зберегти деталі на обох кінцях діапазону, і результат виглядає набагато ближчим до того, що насправді бачить людське око в сцені, ніж будь-яка окрема витримка датчика.