4.7. Eksposur dan gain

Dua pengaturan mengubah seberapa terang setiap sel piksel dilaporkan ke bagian lain dari pipeline:

  • Waktu eksposur (juga disebut waktu integrasi) -- berapa lama fotodioda diizinkan untuk mengumpulkan muatan sebelum pembacaan.

  • Gain analog -- pengali yang diterapkan pada tegangan baca oleh amplifier on-chip sebelum ADC.

Kedua pengaturan membuat citra yang direkam menjadi lebih terang, tetapi cara mencapainya berbeda dan masing-masing memiliki biayanya sendiri.

4.7.1. Waktu eksposur

Eksposur yang lebih lama berarti setiap sel mengumpulkan lebih banyak elektron per bingkai, sehingga hitungan digital keluar lebih tinggi untuk pemandangan yang sama. Membagi dua eksposur kira-kira membagi dua hitungan; menggandakannya kira-kira menggandakannya. Hubungannya bersifat linear hingga sumur jenuh.

Biayanya adalah gerakan. Sel merekam rata-rata cahaya yang tiba selama seluruh jendela integrasi, sehingga objek yang bergerak cukup jauh selama jendela tersebut akan menyebar ke beberapa piksel -- motion blur. Seseorang yang berjalan pada eksposur 1/30 detik akan kabur pada beberapa piksel; orang yang sama pada eksposur 1/500 detik tampak tajam.

Eksposur panjang juga membawa sel lebih dekat ke saturasi, sehingga dalam pemandangan dengan cahaya terang, eksposur harus diturunkan meskipun kecerahan sudah cukup -- jika tidak, bagian highlight akan terpotong.

4.7.2. Gain analog

Gain analog adalah amplifier kecil antara baca fotodioda dan ADC. Tegangan sinyal dikalikan dengan gain sebelum didigitalisasi, sehingga jumlah elektron yang sama berakhir terbaca sebagai angka yang lebih besar. Gain biasanya dinyatakan dalam desibel (dB); penggandaan gain adalah +6 dB.

Gain membantu dalam kondisi cahaya yang terlalu redup untuk terekspos lebih lama -- di mana memperpanjang eksposur akan menurunkan frame rate di bawah kebutuhan aplikasi atau menghasilkan terlalu banyak motion blur. Biayanya adalah noise. Amplifier mengalikan noise floor bersama sinyal, sehingga signal-to-noise ratio tidak meningkat dengan gain yang lebih tinggi. Gain tinggi menghasilkan citra yang lebih berbintik dan berisik pada kecerahan pemandangan yang sama dibandingkan gain rendah.

Beberapa sensor juga mengekspos pengaturan gain digital, yang merupakan pengali integer pasca-ADC. Gain digital bahkan lebih buruk untuk gambaran noise daripada gain analog, karena ia juga memperkuat noise kuantisasi dari ADC. Gunakan sebagai pilihan terakhir.

4.7.3. Auto-eksposur dan auto-gain

Kamera nyata perlu menangani pemandangan yang mencakup rentang kecerahan yang sangat besar -- ruangan dalam ruangan yang redup dan jendela yang diterangi matahari dalam bidang pandang yang sama. Dua loop kontrol menyesuaikan pengaturan secara real time:

  • Kontrol auto-eksposur (AEC) mengukur nilai piksel rata-rata dalam bingkai terakhir (sering kali dibobotkan ke arah pusat, atau dibobotkan menjauh dari piksel paling terang) dan menyesuaikan waktu eksposur untuk mengarahkan rata-rata tersebut ke target.

  • Kontrol auto-gain (AGC) melakukan hal yang sama dengan gain analog, biasanya sebagai fallback setelah waktu eksposur sudah didorong ke batas maksimum yang aman.

Urutan itu penting. Menyesuaikan eksposur terlebih dahulu dan gain kedua memberikan signal-to-noise ratio terbaik untuk kecerahan target tertentu, karena eksposur mengumpulkan lebih banyak sinyal tanpa memperkuat noise, sementara gain memperkuat keduanya. AEC dan AGC oleh karena itu bekerja dalam prioritas: eksposur meningkat terlebih dahulu untuk mencerahkan pemandangan yang redup, dan gain baru aktif setelah eksposur mencapai batas atasnya (ditetapkan oleh frame rate atau oleh anggaran motion blur yang eksplisit).

4.7.4. High dynamic range

AEC dan AGC memilih kecerahan satu bingkai yang tepat untuk rata-rata pemandangan, tetapi setiap pemandangan memiliki bagian yang lebih terang dan lebih gelap dari rata-rata. Satu eksposur hanya dapat mencakup sebagian rentang tersebut sekaligus -- eksposur pendek mempertahankan highlight tetapi mengubur bayangan dalam read-noise; eksposur panjang menarik bayangan ke atas tetapi memotong highlight pada saturasi. Rentang dinamis sensor -- rasio antara piksel paling terang yang dapat direkamnya tanpa terpotong dan yang paling gelap yang dapat dibedakannya dari noise -- ditentukan oleh kapasitas full-well fotodioda dan noise floor baca, dan banyak pemandangan memiliki rentang yang lebih lebar daripada yang dapat ditangkap sensor dalam satu bingkai. Jendela yang diterangi matahari di ruangan dalam ruangan yang redup adalah contoh klasiknya.

High dynamic range (HDR) imaging mengatasi batasan ini dengan menggabungkan dua eksposur atau lebih dari pemandangan yang sama -- minimal eksposur pendek dan panjang, terkadang lebih -- menjadi satu bingkai keluaran. Eksposur pendek mempertahankan highlight tanpa saturasi; eksposur panjang menarik bayangan keluar dari noise floor. Citra gabungan mengambil highlight dari bingkai pendek dan bayangan dari bingkai panjang, menghasilkan rentang dinamis yang lebih besar daripada yang dapat dibawa oleh satu input mana pun.

Penggabungan dapat terjadi di luar chip, dengan perangkat lunak yang menggabungkan burst multi-bingkai, atau di dalam chip, dengan sensor yang menyelang baris dengan eksposur pendek dan panjang dalam scan line bergantian atau menjalankan setiap piksel melalui dua jalur baca pada gain konversi yang berbeda. Bagaimanapun hasilnya, satu bingkai memiliki lebih banyak bit rentang dinamis daripada yang dapat direkam fotodioda dalam satu pengambilan.

Bingkai dengan rentang yang diperluas tidak dapat ditampilkan secara langsung. Framebuffer dan setiap konsumen di hilirnya beroperasi pada bit depth tetap (biasanya 8 bit per channel), dan sinyal HDR dapat mencapai 12, 16, atau lebih. Tone mapping mengompresi bit ekstra kembali ke kedalaman keluaran dengan menerapkan kurva non-linear yang menjaga detail bayangan dan highlight tetap terlihat. Penskalaan linier langsung dari sinyal HDR akan menghancurkan region redup menjadi hitam atau memotong region terang menjadi putih; tone map yang baik melepaskan sebagian kesetiaan kecerahan absolut untuk mempertahankan detail di kedua ujung rentang, dan keluarannya terlihat jauh lebih dekat dengan apa yang mata sebenarnya lihat dalam pemandangan daripada eksposur sensor tunggal mana pun.