HDR sensor 原理介绍

一． HDR sensor 原理介绍

1. 什么是sensor的动态范围（dynamic range）：

sensor的动态范围就是sensor在一幅图像里能够同时体现高光和阴影部分内容的能力。

用公式表达这种能力就是：

DR = 20log₁₀（i_max / i_min);//dB

i_max 是sensor的最大不饱和电流----也可以说是sensor刚刚饱和时候的电流

i_min是sensor的底电流（blacklevel）；

2. 为什么HDR在成像领域是个大问题：

在自然界的真实情况，有些场景的动态范围要大于100dB。

人眼的动态范围可以达到100dB。

Sensor 的动态范围：

高端的>78 dB;

消费级的 60 dB 上下；

所以当sensor的动态范围小于图像场景动态范围的时候就会出现HDR问题----不是暗处看不清，就是亮处看不清，有的甚至两头都看不清。

上图暗处看不清--前景处的广告牌和树影太暗看不清。

上图亮处看不清--远处背景的白云变成了一团白色，完全看不清细节。

3. 解决HDR问题的数学分析

根据前边动态范围公式

DR = 20log₁₀（i_max / i_min); //dB

所以从数学本质上说要提高DR，就是提高i_max，减小 i_min；

对于10bit输出的sensor,从数学上来说，i_max =1023，i_min =1；

动态范围DR = 60；

对于12bit输出的sensor， DR = 72；

所以从数学上来看，提高sensor 输出的bit width就可以提高动态范围，从而解决HDR问题。

可是现实上却没有这么简单。

提高sensor的bit width导致不仅sensor的成本提高，整个图像处理器的带宽都得相应提高，消耗的内存也都相应提高，这样导致整个系统的成本会大幅提高。所以大家想出许多办法，既能解决HDR问题，又可以不增加太多成本。

二．HDR Imaging Digital Overlap

Digital Overlap是目前比较流行的sensor HDR 技术，在监控与车载相机等领域的应用非常广泛。Sony于2012年在监控相机市场首先推出基于DOL（digital overlap） HDR技术的图像传感器，之后OV与Onsemi也都推出了与DOL类似的HDR技术的图像传感器，而且应用领域不局限于监控这种传统HDR imaging的市场，而且扩展到了Automotive camera市场。现在Sony已经推出了第二代支持虚拟通道DOL HDR技术的sensor。

1.什么是时域多帧HDR技术

相机在时间上连续输出由欠曝到过曝的图像，然后做图像融合，得到HDR图像。

融合后HDR图像

比较典型的一种融合方法是根据luminance，contrast，motion等条件，对第K帧图像的像素[i，j]给出权重。Wij,k 是第K帧，位置i，j像素的权重，Xk((i,j)是原始像素值，Xf（i，j）是融合后的像素值。公式如下

对彩色图像，权重的计算会考虑色彩的饱和度等因素。

2.传统时域多帧HDR技术存在的局限

由于传统时域多帧是基于连续曝光的整帧图像（Frame Based）进行融合，所以图像之间的间隔时间就是一帧图像的周期，由此会产生很多artefacts：

场景内物体增减

近距离物体快速移动形成拖影

Color artefact

Frame based的多曝光HDR技术常用于still image 的capture，也有视频HDR 采用这种技术，比如sensor以60fps的帧率交替输出长短曝光，融合后输出30fps的HDR图像。

早期的HDR video有采用这种技术，自从DOL技术出现后，这种Frame based Video HDR技术就逐渐退出历史舞台了。

3.什么是DOL HDR

DOL HDR 也叫做line interleaving HDR 技术。以两曝光DOL为例，sensor每行会以长短曝光两次先后输出，从readout角度来看，就是长曝光帧与短曝光帧 line interleaving 依次输出，如下图，第一行L输出，第一行S输出，第二行L输出，第二行S输出，以此类推。

frame based HDR，长短曝光帧的间隔是一个帧周期，也就是必须一整帧（长）曝光结束，再开始一整帧（短）曝光，如下图

对于DOL HDR而言，由于line interleaving（行的交织），存在两帧的overlap，等于一帧输出没结束，下一帧就来了，长短曝光帧的间隔大大缩小了。

从下图可见，长曝光帧与短曝光帧overlap了一部分，所以这种技术叫digital overlap。

4.DOL长短曝光帧的时间间隔

前边说过，Frame based HDR的长短曝光帧的间隔是一帧的时间，那么DOL HDR的长短曝光帧的时间间隔是多大呢？

如果先输出长曝光的话

如果先输出短曝光的话

T= long exposure 的时间

所以当然是先输出长曝光，这样T（时间间隔）会更小。。

5.DOL长短曝光时间比与动态范围扩展

以两曝光DOL 为例

Exposure ratio = Long exposure time/ short exposure time

假设Exposure ratio = 16，假设在xinhao 没有饱和的条件下，相当于曝光最大值增大了16倍：2^4。也就是动态范围扩大了4个bit。

以此类推，每增加一个曝光帧，如果exposure ratio =16，动态范围就可以扩大4bit。

按照一般HDR sensor 单曝光为12bit来算的话，4曝光就可以让sensor输出的动态范围扩大到24bit（12+4+4+4)。

exposure ratio 也不是越大越好，exposure ratio会受到三方面的制约，图像质量，sensor设计以及isp line delay buffer。

从图像质量上来说，短曝光时间越短，图像噪声越高，长曝光越长，motion的影响越大。Exposure Ratio越大，在图像融合后的SNR drop也越大。

从sensor设计上来说，长短曝光之比受到读出电路的限制，sony的DOL第二代采用虚拟通道技术一定程度改善了这个限制。

从ISP的角度来说line delay buffer 也限制了最大曝光时间。在短曝光行出来之前，第一个长曝光行应该还在delay buffer里，这样才能两者对齐好给后面的frame stitch操作。而长短曝光比越大，需要的line delay buffer就越大。

对于sensor做hdr融合case而言，line delay buffer size就是固定的，所以ISP倾向于在isp这端做HDR融合，这样可以更灵活的设计。（Maver注：对于车载而言，带宽是个主要关注点，所以大部分用户不会选择在ISP侧做HDR融合）

6.DOL的局限

Sony在推出DOL的时候，宣传DOL是‘准同时’输出长短曝光。既然是‘准同时’，那就还不是同时，所以也会有一些典型时域多帧HDR的图像质量问题，同时DOL也有一些特有的IQ问题。

HDR Transition Artefacts

可以从下左图看到composition noise造成的edge，这种edge有时候会误导机器视觉。

从DOL hdr的noise profile可以看出来，如下图，在HDR拼接处，可以看到SNR的显著变化，叫做snr drop，当SNR drop大的时候，就会出现明显的edge，如上图所示。

曝光比越小，SNR drop就越小, 可以想见，如果曝光比为1，也就没有snr drop了。反之，曝光比越大，动态范围越大，snr drop也越大，如下图所示。

Flicker

交流电供电光源造成的flickering，如下图：

为了避免banding，就得让最小曝光时间是半周期的整数倍。

这样就不会出现banding了。但是由于最小曝光时间变大了，动态范围就损失了。所以有时候为了保证不损失动态范围，就得容忍Flickering。这就得看应用场景了。

类似的问题发生在PWM供电的Led光源上，尤其是交通信号灯以及汽车信号灯，如下图所示

sensor的长曝光帧能catch到led 的light pulse，但是短曝光帧就没catch到，这样也会造成flickering甚至信号灯图像的丢失。

这种flicker或者信号灯信息丢失的问题在车载成像系统上是致命的，所以车载HDR现在更倾向采用spatial based HDR技术，比如Sony采用的sub pixel技术或者OV 采用的split pixel技术。

三．HDR imaging split/sub pixel 技术

我们在上一期讲了时域多帧HDR技术--Digital Overlap. 现在在监控领域的WDR sensor主要采用这种技术，如下图，利用不同的sensor曝光（蓝色线所示）覆盖不同的动态范围，再把多曝光图像stitching起来（红色线所示），达到最大的动态范围输出。Sony的imx290，OV的ov4689都是这个类型典型sensor。

车载领域也广泛使用Temporal domain HDR技术，但是随着车载相机在ADAS与自动驾驶领域的迅速发展，对图像质量有着特别的需求，导致Temporal domain HDR技术不能满足需要。车载比较典型的两个IQ需求是不能有motion artefact 和 LED flickering。

motion artefact

LED flickering

Temporal
HDR 在原理上就存在这些缺陷，所以要解决这个问题就需要使用其他的HDR体制：Spatial HDR技术是现在车载领域的主流解决方案。

比较典型的是Sony sensor（imx390/490）采用的Subpixel技术与OV sensor（ovx1a)采用的split pixel技术，他们都属于SpatialHDR技术范畴，其基本原理是一致的。

1.大小pixel的分离结构

与普通CFA的不同，大小pixel技术的sensor在相邻位置有一大一小两个pixel，他们空间上非常接近，可以认为对空间采样相同。

由于pixel的大小不同，物理上的sensitivity不同，FWC也不同，会产生与时域HDR一样的不同曝光效果，形成了对不同动态范围的覆盖。如下图可以看到LPD（Large Pixel Diode）与SPD（Small Pixel Diode）是如何扩展动态范围的。

2.大小分离pixel的电路设计

典型的大小分离pixel的电路如下图所示

SPD和LPD分别用黄色的二极管标出。CGC（conversion gain control）与TG（transfer gate）控制了photo diode 向FD充电，当TGs使能时，FD接收SPD来的电荷，RS会使能让FD的电荷转存出来。然后当TGL使能时，FD接收LPD来的电荷，RS会再一次使能让FD的电荷转存出来。RST负责在每一次转存后把FD电容清空。这样的电路结构就实现了LPD和SPD的分别读出。这个部分的电路时钟非常快，所以可以认为大小像素是同时曝光的。后面的读出电路也会把大小像素同时读出，由下图可见，T_lpd与T_spd是同时的。

3.大小像素HDR与时域HDR在motion artefact上的比较

由下图可以看出基于大小像素的HDR与时域HDR在拍摄运动物体上的motion artefact比较。

左图是基于大小像素的图像，完全没有motion artefact，右图是时域HDR，可以看到明显的motion artefact。

对于这种更挑战的场景，舞厅的旋转光球，左图是大小像素HDR，右图是时域HDR，可以看到时域HDR的图像把小的运动光点都混到了一起。

4.大小像素与Dual conversion gain的结合

单独靠大小像素只能形成两个曝光的图像，再结合之前介绍过的DCG技术，在大小pixel分别配合HCG，LCG，就可以形成4曝光。

假设单曝光输出12bit，曝光比是16，那总共的动态范围可以达到24bit输出。

5.两种场景的切换

如下图，横轴是场景的光亮度，纵轴是SNR，红色曲线是LPD像素的SNR曲线，蓝色曲线是LPD像素的SNR曲线。

SPD的饱和点更高，而LPD的低光SNR更高。这两条曲线说明了大小像素这种设计可以很灵活的适配场景的变化，当场景非常亮的情况，就用大小像素融合输出，这样可以扩大动态范围。

当场景非常暗的情况，就完全切换到LPD像素，因为它的SNR更高。