4.7. Thời gian phơi sáng và độ khuếch đại¶

Hai thông số thay đổi độ sáng mà mỗi ô điểm ảnh báo cáo cho phần còn lại của pipeline:

Thời gian phơi sáng (còn gọi là thời gian tích hợp) -- khoảng thời gian photodiode được phép thu thập điện tích trước khi đọc ra.
Độ khuếch đại analog -- hệ số nhân được áp dụng cho điện áp đọc ra bởi bộ khuếch đại trên chip trước ADC.

Cả hai thông số đều làm cho ảnh được ghi sáng hơn, nhưng cách chúng đạt được điều đó khác nhau và mỗi loại có chi phí riêng của mình.

4.7.1. Thời gian phơi sáng¶

Thời gian phơi sáng dài hơn có nghĩa là mỗi ô thu thập nhiều electron hơn trên mỗi khung hình, do đó số đếm kỹ thuật số sẽ cao hơn với cùng một cảnh. Giảm một nửa thời gian phơi sáng sẽ giảm gần một nửa số đếm; tăng gấp đôi thì cũng tăng gần gấp đôi. Mối quan hệ này tuyến tính cho đến khi giếng bão hòa.

Chi phí là chuyển động. Ô ghi lại ánh sáng trung bình chiếu vào nó trong toàn bộ cửa sổ tích hợp, do đó bất kỳ vật thể nào di chuyển một khoảng cách đáng chú ý trong cửa sổ đó sẽ bị nhòe trên nhiều điểm ảnh -- nhòe chuyển động. Một người đi bộ với thời gian phơi sáng 1/30 giây bị nhòe trên vài điểm ảnh; cùng người đó ở thời gian phơi sáng 1/500 giây sẽ trông sắc nét.

Thời gian phơi sáng dài cũng đưa ô đến gần bão hòa hơn, vì vậy trong các cảnh được chiếu sáng tốt, thời gian phơi sáng phải được giảm xuống dù độ sáng vẫn ổn -- nếu không các vùng sáng sẽ bị cắt.

4.7.2. Độ khuếch đại analog¶

Độ khuếch đại analog là một bộ khuếch đại nhỏ giữa đầu ra đọc của photodiode và ADC. Điện áp tín hiệu được nhân với độ khuếch đại trước khi được số hóa, do đó cùng số electron cuối cùng sẽ đọc ra là một con số lớn hơn. Độ khuếch đại thường được biểu thị theo decibel (dB); tăng gấp đôi độ khuếch đại là +6 dB.

Độ khuếch đại có ích trong điều kiện ánh sáng quá yếu để tăng thêm thời gian phơi sáng -- nơi kéo dài thời gian phơi sáng sẽ làm giảm tốc độ khung hình xuống dưới mức yêu cầu của ứng dụng hoặc gây ra nhòe chuyển động quá nhiều. Chi phí là nhiễu. Bộ khuếch đại nhân cả mức sàn nhiễu cùng với tín hiệu, do đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu không cải thiện khi tăng thêm độ khuếch đại. Độ khuếch đại cao tạo ra ảnh hạt và nhiễu hơn ở cùng độ sáng cảnh so với độ khuếch đại thấp.

Một số cảm biến cũng hiển thị thông số độ khuếch đại kỹ thuật số, đây là bộ nhân số nguyên sau ADC. Độ khuếch đại kỹ thuật số còn tệ hơn về mặt nhiễu so với độ khuếch đại analog, vì nó cũng khuếch đại nhiễu lượng tử hóa từ ADC. Hãy dùng nó như phương án cuối cùng.

4.7.3. Tự động phơi sáng và tự động khuếch đại¶

Camera thực tế cần xử lý các cảnh trải dài một phạm vi độ sáng rất lớn -- một căn phòng trong nhà tối và một cửa sổ được chiếu sáng mặt trời trong cùng một trường nhìn. Hai vòng điều khiển điều chỉnh các thông số theo thời gian thực:

Điều khiển phơi sáng tự động (AEC) đo giá trị điểm ảnh trung bình trong khung hình gần đây (thường được trọng số hóa hướng về trung tâm, hoặc trọng số hóa tránh các điểm ảnh sáng nhất) và điều chỉnh thời gian phơi sáng để đưa giá trị trung bình đó về một mục tiêu.
Điều khiển khuếch đại tự động (AGC) làm điều tương tự với độ khuếch đại analog, thường như phương án dự phòng sau khi thời gian phơi sáng đã được đẩy đến mức tối đa an toàn.

Thứ tự quan trọng. Điều chỉnh thời gian phơi sáng trước và độ khuếch đại sau sẽ cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu tốt nhất với một độ sáng mục tiêu nhất định, vì thời gian phơi sáng thu thập thêm tín hiệu mà không khuếch đại nhiễu, trong khi độ khuếch đại khuếch đại cả hai. Do đó AEC và AGC hoạt động theo thứ ưu tiên: thời gian phơi sáng tăng trước để làm sáng cảnh tối, và độ khuếch đại chỉ tham gia sau khi thời gian phơi sáng đã chạm mức trần (được đặt bởi tốc độ khung hình hoặc ngân sách nhòe chuyển động rõ ràng).

4.7.4. Dải động cao¶

AEC và AGC chọn độ sáng một khung hình phù hợp cho giá trị trung bình của cảnh, nhưng mọi cảnh đều có các phần sáng hơn và tối hơn mức trung bình. Một lần phơi sáng duy nhất chỉ có thể bao phủ một phạm vi nhất định trong một lúc -- thời gian phơi sáng ngắn bảo toàn các vùng sáng nhưng chôn vùi bóng tối trong nhiễu đọc; thời gian phơi sáng dài kéo các bóng tối lên nhưng cắt các vùng sáng ở mức bão hòa. Dải động của cảm biến -- tỉ số giữa điểm ảnh sáng nhất nó có thể ghi mà không bị cắt và điểm ảnh tối nhất nó có thể phân biệt với nhiễu -- được cố định bởi dung lượng giếng đầy của photodiode và mức sàn nhiễu đọc, và nhiều cảnh có phạm vi rộng hơn những gì cảm biến có thể chụp trong một khung hình. Một cửa sổ được chiếu sáng mặt trời trong một căn phòng trong nhà tối là ví dụ điển hình.

Dải động cao (HDR) giải quyết giới hạn này bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều lần phơi sáng của cùng một cảnh -- tối thiểu là một lần ngắn và một lần dài, đôi khi nhiều hơn -- thành một khung hình đầu ra duy nhất. Các lần phơi sáng ngắn bảo toàn các vùng sáng mà không bão hòa; các lần phơi sáng dài kéo các bóng tối lên khỏi mức sàn nhiễu. Ảnh kết hợp lấy các vùng sáng từ các khung ngắn và các bóng tối từ các khung dài, kết thúc với dải động có thể sử dụng nhiều hơn bất kỳ đầu vào đơn lẻ nào có thể mang.

Việc kết hợp có thể xảy ra ngoài chip, với phần mềm ghép một loạt nhiều khung, hoặc trên chip, với cảm biến xen kẽ các hàng phơi sáng ngắn và dài trong các dòng quét xen kẽ hoặc chạy mỗi điểm ảnh qua hai đường đọc với độ khuếch đại chuyển đổi khác nhau. Dù theo cách nào, kết quả là một khung với nhiều bit dải động hơn mà photodiode có thể ghi trong một lần chụp duy nhất.

Khung có phạm vi mở rộng đó không thể hiển thị trực tiếp. Bộ đệm khung hình và bất kỳ phần tiêu thụ nào xuôi dòng của nó đều chạy ở độ sâu bit cố định (thường là 8 bit mỗi kênh), và tín hiệu HDR có thể lên đến 12, 16 bit hoặc nhiều hơn. Ánh xạ tông màu nén các bit thêm trở lại độ sâu đầu ra bằng cách áp dụng đường cong phi tuyến giữ cho cả chi tiết bóng tối và vùng sáng đều có thể nhìn thấy. Một phép co tuyến tính thẳng của tín hiệu HDR sẽ làm cho các vùng tối bị nén thành màu đen hoặc cắt các vùng sáng thành màu trắng; một bản đồ tông màu tốt đánh đổi một số độ trung thực độ sáng tuyệt đối để giữ lại chi tiết ở cả hai đầu của phạm vi, và đầu ra trông gần hơn nhiều với những gì mắt thực sự thấy trong cảnh so với bất kỳ lần phơi sáng cảm biến đơn nào.