4.7. การรับแสงและค่าเกน

ปุ่มควบคุมสองตัวเปลี่ยนแปลงความสว่างที่รายงานจากเซลล์พิกเซลแต่ละตัวไปยังส่วนที่เหลือของไปป์ไลน์:

• เวลาการรับแสง (เรียกอีกอย่างว่าเวลาอินทิเกรชัน) -- ระยะเวลาที่โฟโตไดโอดได้รับอนุญาตให้สะสมประจุก่อนการอ่านค่า

• ค่าเกนแอนาล็อก -- ตัวคูณที่ใช้กับแรงดันไฟฟ้าที่อ่านได้โดยแอมพลิฟายเออร์บนชิปก่อน ADC

ปุ่มควบคุมทั้งสองทำให้ภาพที่บันทึกสว่างขึ้น แต่วิธีที่พวกเขาทำนั้นแตกต่างกันและแต่ละตัวมีข้อเสียของตัวเอง

4.7.1. เวลาการรับแสง

การรับแสงนานขึ้นหมายความว่าแต่ละเซลล์สะสมอิเล็กตรอนได้มากขึ้นต่อเฟรม ดังนั้นการนับค่าดิจิทัลจึงสูงขึ้นสำหรับฉากเดิม การลดการรับแสงลงครึ่งหนึ่งจะลดการนับค่าลงประมาณครึ่งหนึ่ง การเพิ่มเป็นสองเท่าจะทำให้เพิ่มขึ้นประมาณสองเท่า ความสัมพันธ์นี้เป็นเส้นตรงจนกว่าบ่อเก็บประจุจะอิ่มตัว

ต้นทุนคือการเคลื่อนไหว เซลล์บันทึกแสงเฉลี่ยที่ตกมาในช่วงหน้าต่างอินทิเกรชันทั้งหมด ดังนั้นวัตถุใดก็ตามที่เคลื่อนที่ระยะทางที่สังเกตได้ในระหว่างหน้าต่างนั้นจะถูกทำให้เบลอข้ามหลายพิกเซล -- motion blur คนเดินในเวลาการรับแสง 1/30 วินาทีจะเบลอข้ามหลายพิกเซล คนเดียวกันที่เวลา 1/500 วินาทีจะดูคมชัด

การรับแสงนานยังทำให้เซลล์ใกล้จุดอิ่มตัวมากขึ้น ดังนั้นในฉากที่มีแสงสว่างเพียงพอ การรับแสงต้องลดลงแม้ว่าความสว่างจะดีอยู่แล้ว -- มิฉะนั้นไฮไลต์จะถูกตัดทิ้ง

4.7.2. ค่าเกนแอนาล็อก

ค่าเกนแอนาล็อกคือแอมพลิฟายเออร์ขนาดเล็กระหว่างการอ่านค่าจากโฟโตไดโอดและ ADC แรงดันสัญญาณถูกคูณด้วยค่าเกนก่อนที่จะถูกแปลงเป็นดิจิทัล ดังนั้นจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันจะได้ค่าที่ใหญ่กว่า ค่าเกนมักแสดงในหน่วยเดซิเบล (dB) การเพิ่มค่าเกนสองเท่าคือ +6 dB

ค่าเกนช่วยในที่มีแสงสลัวเกินกว่าจะรับแสงนานกว่านี้ได้ ซึ่งการยืดเวลาการรับแสงออกไปจะทำให้อัตราเฟรมต่ำกว่าที่แอปพลิเคชันต้องการหรือทำให้เกิด motion blur มากเกินไป ต้นทุนคือสัญญาณรบกวน แอมพลิฟายเออร์คูณระดับสัญญาณรบกวนพื้นไปพร้อมกับสัญญาณ ดังนั้น อัตราสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน จึงไม่ดีขึ้นด้วยค่าเกนที่มากขึ้น ค่าเกนสูงให้ภาพที่มีเม็ดสัญญาณรบกวนมากกว่าและเสียงมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับค่าเกนต่ำที่ความสว่างฉากเดิม

sensor บางตัวยังเปิดเผยปุ่มควบคุม ค่าเกนดิจิทัล ซึ่งเป็นตัวคูณจำนวนเต็มหลัง ADC ค่าเกนดิจิทัลแย่กว่าสำหรับสัญญาณรบกวนยิ่งกว่าค่าเกนแอนาล็อก เพราะมันยังขยายสัญญาณรบกวนการหาปริมาณจาก ADC ด้วย ควรใช้เป็นทางเลือกสุดท้าย

4.7.3. การควบคุมการรับแสงและค่าเกนอัตโนมัติ

กล้องจริงต้องจัดการกับฉากที่ครอบคลุมช่วงความสว่างที่กว้างมาก เช่น ห้องในร่มที่สลัวและหน้าต่างที่ได้รับแสงแดดในระยะมองเห็นเดียวกัน ลูปควบคุมสองชุดปรับปุ่มควบคุมในเวลาจริง:

• การควบคุมการรับแสงอัตโนมัติ (AEC) วัดค่าพิกเซลเฉลี่ยในเฟรมล่าสุด (มักถ่วงน้ำหนักไปยังศูนย์กลาง หรือถ่วงน้ำหนักออกจากพิกเซลที่สว่างที่สุด) และปรับเวลาการรับแสงเพื่อขับเคลื่อนค่าเฉลี่ยนั้นไปยังเป้าหมาย

• การควบคุมค่าเกนอัตโนมัติ (AGC) ทำสิ่งเดียวกันกับค่าเกนแอนาล็อก โดยมักใช้เป็นทางเลือกสำรองเมื่อเวลาการรับแสงถูกผลักไปถึงค่าสูงสุดที่ปลอดภัยแล้ว

ลำดับมีความสำคัญ การปรับการรับแสงก่อนและค่าเกนทีหลังให้อัตราสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดีที่สุดสำหรับความสว่างเป้าหมายที่กำหนด เนื่องจากการรับแสงรวบรวมสัญญาณได้มากขึ้นโดยไม่ขยายสัญญาณรบกวน ในขณะที่ค่าเกนขยายทั้งคู่ AEC และ AGC จึงทำงานตามลำดับความสำคัญ: การรับแสงเพิ่มขึ้นก่อนเพื่อทำให้ฉากที่สลัวสว่างขึ้น และค่าเกนจะเริ่มทำงานก็ต่อเมื่อการรับแสงถึงเพดาน (กำหนดโดยอัตราเฟรมหรือโดยงบประมาณ motion blur ที่ระบุไว้อย่างชัดเจน)

4.7.4. ช่วงไดนามิกสูง

AEC และ AGC เลือกความสว่างเฟรมเดียวที่ถูกต้องสำหรับ ค่าเฉลี่ย ของฉาก แต่ทุกฉากมีส่วนที่สว่างกว่าและสลัวกว่าค่าเฉลี่ย การรับแสงครั้งเดียวสามารถครอบคลุมช่วงนั้นได้เท่าที่จะทำได้ในคราวเดียว -- การรับแสงสั้นรักษาไฮไลต์แต่ฝังเงาในสัญญาณรบกวนการอ่านค่า การรับแสงยาวดึงเงาขึ้นแต่ตัดไฮไลต์ที่จุดอิ่มตัว ช่วงไดนามิก ของ sensor -- อัตราส่วนระหว่างพิกเซลที่สว่างที่สุดที่สามารถบันทึกได้โดยไม่ตัดทิ้งและพิกเซลที่สลัวที่สุดที่สามารถแยกแยะจากสัญญาณรบกวนได้ -- ถูกกำหนดโดยความจุบ่อเก็บประจุเต็มของโฟโตไดโอดและระดับสัญญาณรบกวนการอ่านค่าพื้น และหลายฉากมีช่วงที่กว้างกว่าที่ sensor สามารถจับได้ในเฟรมเดียว ตัวอย่างคลาสสิกคือหน้าต่างที่ได้รับแสงแดดในห้องในร่มที่สลัว

การสร้างภาพช่วงไดนามิกสูง (HDR) หลีกเลี่ยงข้อจำกัดด้วยการรวมการรับแสงสองครั้งขึ้นไปของฉากเดียวกัน -- อย่างน้อยคือการรับแสงสั้นและยาว บางครั้งมากกว่า -- เป็นเฟรมเอาต์พุตเดียว การรับแสงสั้นรักษาไฮไลต์โดยไม่อิ่มตัว การรับแสงยาวดึงเงาออกจากระดับสัญญาณรบกวนพื้น ภาพที่รวมกันนำไฮไลต์จากเฟรมสั้นและเงาจากเฟรมยาว ได้ช่วงไดนามิกที่ใช้งานได้มากกว่าที่อินพุตใดอินพุตเดียวสามารถมีได้

การรวมกันอาจเกิดขึ้นนอกชิป โดยซอฟต์แวร์เย็บเฟรมหลายเฟรม หรือบนชิป โดย sensor สลับแถวการรับแสงสั้นและยาวในแถวสแกนสลับกันหรือใช้แต่ละพิกเซลผ่านเส้นทางอ่านค่าสองเส้นที่ค่าแปลงสัญญาณต่างกัน ไม่ว่าทางใดผลลัพธ์คือเฟรมเดียวที่มีบิตช่วงไดนามิกมากกว่าที่โฟโตไดโอดจะบันทึกได้ในการถ่ายภาพครั้งเดียว

เฟรมช่วงขยายนั้นไม่สามารถแสดงผลโดยตรงได้ บัฟเฟอร์เฟรมและผู้ใช้ปลายทางใด ๆ ที่อยู่ถัดไปทำงานที่ความลึกบิตคงที่ (โดยปกติ 8 บิตต่อช่อง) และสัญญาณ HDR สามารถมีได้ถึง 12, 16 บิตหรือมากกว่า การแมปโทน บีบอัดบิตพิเศษกลับลงเป็นความลึกเอาต์พุตโดยใช้เส้นโค้งที่ไม่เป็นเส้นตรงที่ทำให้ทั้งรายละเอียดเงาและไฮไลต์มองเห็นได้ การปรับขนาดเชิงเส้นตรงของสัญญาณ HDR จะบีบบริเวณสลัวให้เป็นสีดำหรือตัดบริเวณสว่างให้เป็นสีขาว การแมปโทนที่ดีจะยอมเสียความแม่นยำของความสว่างสัมบูรณ์เพื่อรักษารายละเอียดทั้งสองปลายของช่วง และเอาต์พุตจะดูใกล้เคียงกับสิ่งที่ตาเห็นจริง ๆ ในฉากมากกว่าการรับแสง sensor ใด ๆ ครั้งเดียวจะทำได้