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.