HDR sensor 原理介紹

HDR sensor 原理介紹

一． HDR sensor 原理介紹

 1. 什么是sensor的動態范圍（dynamic range）：

sensor的動態范圍就是sensor在一幅圖像里能夠同時體現高光和陰影部分內容的能力。

用公式表達這種能力就是：

DR = 20log₁₀（i_max / i_min);//dB

i_max 是sensor的最大不飽和電流----也可以說是sensor剛剛飽和時候的電流

i_min是sensor的底電流（blacklevel） ；

 2. 為什么HDR在成像領域是個大問題：

在自然界的真實情況，有些場景的動態范圍要大於100dB。

人眼的動態范圍可以達到100dB。

Sensor 的動態范圍：

高端的>78 dB;

消費級的 60 dB 上下；

 所以當sensor的動態范圍小於圖像場景動態范圍的時候就會出現HDR問題----不是暗處看不清，就是亮處看不清，有的甚至兩頭都看不清。

 

 上圖暗處看不清--前景處的廣告牌和樹影太暗看不清。

 

 

 

上圖亮處看不清--遠處背景的白雲變成了一團白色，完全看不清細節。

3. 解決HDR問題的數學分析

 

根據前邊動態范圍公式

DR = 20log₁₀（i_max / i_min); //dB

所以從數學本質上說要提高DR，就是提高i_max，減小 i_min；

對於10bit輸出的sensor,從數學上來說，i_max =1023，i_min =1；

動態范圍DR = 60；

 對於12bit輸出的sensor， DR = 72；

所以從數學上來看，提高sensor 輸出的bit width就可以提高動態范圍，從而解決HDR問題。

可是現實上卻沒有這么簡單。

提高sensor的bit width導致不僅sensor的成本提高，整個圖像處理器的帶寬都得相應提高，消耗的內存也都相應提高，這樣導致整個系統的成本會大幅提高。所以大家想出許多辦法，既能解決HDR問題，又可以不增加太多成本。

 

二．HDR Imaging Digital Overlap

Digital Overlap是目前比較流行的sensor HDR 技術，在監控與車載相機等領域的應用非常廣泛。Sony於2012年在監控相機市場首先推出基於DOL（digital overlap） HDR技術的圖像傳感器，之后OV與Onsemi也都推出了與DOL類似的HDR技術的圖像傳感器，而且應用領域不局限於監控這種傳統HDR imaging的市場，而且擴展到了Automotive camera市場。現在Sony已經推出了第二代支持虛擬通道DOL HDR技術的sensor。

 1.什么是時域多幀HDR技術

相機在時間上連續輸出由欠曝到過曝的圖像，然后做圖像融合，得到HDR圖像。

 

 融合后HDR圖像

 

 

比較典型的一種融合方法是根據luminance，contrast，motion等條件，對第K幀圖像的像素[i，j]給出權重。Wij,k 是第K幀，位置i，j像素的權重，Xk((i,j)是原始像素值，Xf（i，j）是融合后的像素值。公式如下 

 

 

  

對彩色圖像，權重的計算會考慮色彩的飽和度等因素。

 2.傳統時域多幀HDR技術存在的局限

由於傳統時域多幀是基於連續曝光的整幀圖像（Frame Based）進行融合，所以圖像之間的間隔時間就是一幀圖像的周期，由此會產生很多artefacts：

 場景內物體增減

 

 

近距離物體快速移動形成拖影

 

 

 

Color artefact

 

 

Frame based的多曝光HDR技術常用於still image 的capture，也有視頻HDR 采用這種技術，比如sensor以60fps的幀率交替輸出長短曝光，融合后輸出30fps的HDR圖像。

 

 

 

 

早期的HDR video有采用這種技術，自從DOL技術出現后，這種Frame based Video HDR技術就逐漸退出歷史舞台了。

 3.什么是DOL HDR

DOL HDR 也叫做line interleaving HDR 技術。以兩曝光DOL為例，sensor每行會以長短曝光兩次先后輸出，從readout角度來看，就是長曝光幀與短曝光幀 line interleaving 依次輸出，如下圖，第一行L輸出，第一行S輸出，第二行L輸出，第二行S輸出，以此類推。

 

 

frame based HDR，長短曝光幀的間隔是一個幀周期，也就是必須一整幀（長）曝光結束，再開始一整幀（短）曝光，如下圖

 

 對於DOL HDR而言，由於line interleaving（行的交織），存在兩幀的overlap，等於一幀輸出沒結束，下一幀就來了，長短曝光幀的間隔大大縮小了。

從下圖可見，長曝光幀與短曝光幀overlap了一部分，所以這種技術叫digital overlap。

 

 4.DOL長短曝光幀的時間間隔

前邊說過，Frame based HDR的長短曝光幀的間隔是一幀的時間，那么DOL HDR的長短曝光幀的時間間隔是多大呢？

 

如果先輸出長曝光的話

 

 如果先輸出短曝光的話

 

 T= long exposure 的時間

 

所以當然是先輸出長曝光，這樣T（時間間隔）會更小。。

 5.DOL長短曝光時間比與動態范圍擴展

以兩曝光DOL 為例

Exposure ratio = Long exposure time/ short exposure time

假設Exposure ratio = 16，假設在xinhao 沒有飽和的條件下，相當於曝光最大值增大了16倍：2^4。也就是動態范圍擴大了4個bit。

以此類推，每增加一個曝光幀，如果exposure ratio =16，動態范圍就可以擴大4bit。

按照一般HDR sensor 單曝光為12bit來算的話，4曝光就可以讓sensor輸出的動態范圍擴大到24bit（12+4+4+4)。

exposure ratio 也不是越大越好，exposure ratio會受到三方面的制約，圖像質量，sensor設計以及isp line delay buffer。

從圖像質量上來說，短曝光時間越短，圖像噪聲越高，長曝光越長，motion的影響越大。Exposure Ratio越大，在圖像融合后的SNR drop也越大。

從sensor設計上來說，長短曝光之比受到讀出電路的限制，sony的DOL第二代采用虛擬通道技術一定程度改善了這個限制。

從ISP的角度來說line delay buffer 也限制了最大曝光時間。在短曝光行出來之前，第一個長曝光行應該還在delay buffer里，這樣才能兩者對齊好給后面的frame stitch操作。而長短曝光比越大，需要的line delay buffer就越大。

 

 對於sensor做hdr融合case而言，line delay buffer size就是固定的，所以ISP傾向於在isp這端做HDR融合，這樣可以更靈活的設計。（Maver注：對於車載而言，帶寬是個主要關注點，所以大部分用戶不會選擇在ISP側做HDR融合）

 

6.DOL的局限

Sony在推出DOL的時候，宣傳DOL是‘准同時’輸出長短曝光。既然是‘准同時’，那就還不是同時，所以也會有一些典型時域多幀HDR的圖像質量問題，同時DOL也有一些特有的IQ問題。

 

HDR Transition Artefacts

可以從下左圖看到composition noise造成的edge，這種edge有時候會誤導機器視覺。

 

 

 

從DOL hdr的noise profile可以看出來，如下圖，在HDR拼接處，可以看到SNR的顯著變化，叫做snr drop，當SNR drop大的時候，就會出現明顯的edge，如上圖所示。

 

 

曝光比越小，SNR drop就越小, 可以想見，如果曝光比為1，也就沒有snr drop了。反之，曝光比越大，動態范圍越大，snr drop也越大，如下圖所示。

 

 Flicker

 

交流電供電光源造成的flickering，如下圖：

交流電供電光源造成的flickering，如下圖：

 

 為了避免banding，就得讓最小曝光時間是半周期的整數倍。

 

 

這樣就不會出現banding了。但是由於最小曝光時間變大了，動態范圍就損失了。所以有時候為了保證不損失動態范圍，就得容忍Flickering。這就得看應用場景了。

 

類似的問題發生在PWM供電的Led光源上，尤其是交通信號燈以及汽車信號燈，如下圖所示

 

 

sensor的長曝光幀能catch到led 的light pulse，但是短曝光幀就沒catch到，這樣也會造成flickering甚至信號燈圖像的丟失。

這種flicker或者信號燈信息丟失的問題在車載成像系統上是致命的，所以車載HDR現在更傾向采用spatial based HDR技術，比如Sony采用的sub pixel技術或者OV 采用的split pixel技術。

三．HDR imaging split/sub pixel 技術

我們在上一期講了時域多幀HDR技術--Digital Overlap. 現在在監控領域的WDR sensor主要采用這種技術，如下圖，利用不同的sensor曝光（藍色線所示）覆蓋不同的動態范圍，再把多曝光圖像stitching起來（紅色線所示），達到最大的動態范圍輸出。Sony的imx290，OV的ov4689都是這個類型典型sensor。

 

 

 

車載領域也廣泛使用Temporal domain HDR技術，但是隨着車載相機在ADAS與自動駕駛領域的迅速發展，對圖像質量有着特別的需求，導致Temporal domain HDR技術不能滿足需要。車載比較典型的兩個IQ需求是不能有motion artefact 和 LED flickering。

motion artefact

 

 LED flickering

 

 

Temporal  HDR 在原理上就存在這些缺陷，所以要解決這個問題就需要使用其他的HDR體制：Spatial HDR技術是現在車載領域的主流解決方案。

比較典型的是Sony sensor（imx390/490）采用的Subpixel技術與OV sensor（ovx1a)采用的split pixel技術，他們都屬於SpatialHDR技術范疇，其基本原理是一致的。

 1.大小pixel的分離結構

與普通CFA的不同，大小pixel技術的sensor在相鄰位置有一大一小兩個pixel，他們空間上非常接近，可以認為對空間采樣相同。

 

 由於pixel的大小不同，物理上的sensitivity不同，FWC也不同，會產生與時域HDR一樣的不同曝光效果，形成了對不同動態范圍的覆蓋。如下圖可以看到LPD（Large Pixel Diode）與SPD（Small Pixel Diode）是如何擴展動態范圍的。

 

 2.大小分離pixel的電路設計

典型的大小分離pixel的電路如下圖所示

 

 SPD和LPD分別用黃色的二極管標出。CGC（conversion gain control）與TG（transfer gate）控制了photo diode 向FD充電，當TGs使能時，FD接收SPD來的電荷，RS會使能讓FD的電荷轉存出來。然后當TGL使能時，FD接收LPD來的電荷，RS會再一次使能讓FD的電荷轉存出來。RST負責在每一次轉存后把FD電容清空。這樣的電路結構就實現了LPD和SPD的分別讀出。這個部分的電路時鍾非常快，所以可以認為大小像素是同時曝光的。后面的讀出電路也會把大小像素同時讀出，由下圖可見，T_lpd與T_spd是同時的。

 

  3.大小像素HDR與時域HDR在motion artefact上的比較

由下圖可以看出基於大小像素的HDR與時域HDR在拍攝運動物體上的motion artefact比較。

左圖是基於大小像素的圖像，完全沒有motion artefact，右圖是時域HDR，可以看到明顯的motion artefact。

 

 

對於這種更挑戰的場景，舞廳的旋轉光球，左圖是大小像素HDR，右圖是時域HDR，可以看到時域HDR的圖像把小的運動光點都混到了一起。

 

 

 

4.大小像素與Dual conversion gain的結合

單獨靠大小像素只能形成兩個曝光的圖像，再結合之前介紹過的DCG技術，在大小pixel分別配合HCG，LCG，就可以形成4曝光。

假設單曝光輸出12bit，曝光比是16，那總共的動態范圍可以達到24bit輸出。

 

 5.兩種場景的切換

如下圖，橫軸是場景的光亮度，縱軸是SNR，紅色曲線是LPD像素的SNR曲線，藍色曲線是LPD像素的SNR曲線。

 

 

SPD的飽和點更高，而LPD的低光SNR更高。這兩條曲線說明了大小像素這種設計可以很靈活的適配場景的變化，當場景非常亮的情況，就用大小像素融合輸出，這樣可以擴大動態范圍。

當場景非常暗的情況，就完全切換到LPD像素，因為它的SNR更高。