图像传感器实现HDR的不同技术路线

电子发烧友网报道（文/周凯扬）随着传感技术的发展，单个传感器能够捕捉到的数据越来越多。图像传感器也是如此，然而即便是目前最先进的图像传感器，还是很难实现人眼所能捕捉的动态范围。可为了尽可能地还原现实场景，还是在极力地发展HDR高动态范围技术。

多重曝光

如文章开头所说，要想在单帧内捕捉到超大的动态范围，对于现代传感器来说还是有些勉强。在同时包含室内室外的场景下，很容易出现过曝或暗部模糊的情况。过去为了实现所谓的高动态范围，需要拍摄多张不同曝光程度的照片，之后进行合成，这样才能呈现完整的从暗部到亮部的细节。

但随着传感器技术与读出速度的进步，不少手机CIS都可以在机内实现这个多张合成的过程。通过更改快门时间，拍摄多种不同亮度的图像信号，直接在图像传感器上将多张图像合成为一个数据，从而实现广域动态范围。不同的厂商对其合成HDR技术也有不同的叫法，比如有的叫Staggered HDR，索尼的DOL-HDR或安森美的eHDR等，多重曝光的次数也不尽相同。

但这个多张融合的过程就需要引入计算了，比如基于图像辉度分布，进行渐变校正处理，调整局部亮度，抑制过曝和暗部模糊，得到一张力求接近人眼所见的图像。有的图像传感器可以直接在图像传感器的逻辑芯片中完成这一系列处理，所以也可以用于视频拍摄。有的图像传感器如果没有集成HDR合成功能，则需要更昂贵算力更强大的ISP，比如高通的Spectra 580等，同时在带宽要求上也会因为多重曝光的次数而成倍增长。

虽然现代图像传感器多重曝光宣传的近乎同时进行，但这毕竟不是真正的同时进行，而且暗光条件下更难做到短曝光时间，这也就是为何不少手机在暗光条件下难以拍出可用HDR的原因。但多重曝光真正需要克服的问题，就是因为不同时曝光合成而产生的伪影和彩噪。

在车载图像传感器中，这类方案还容易遇到的一个问题就是LED闪烁。为了节省能源，不少LED照明都采用了脉冲式（PWM）的设计，诸如前灯、尾灯、交通标志和隧道灯等。而多重曝光的方案就很容易造成图像传感器捕捉LED图案的缺失，这对于ADAS与自动驾驶来说就会成为关键错误，所以往往汽车图像传感器在设计时都会纳入对LFM（LED闪烁抑制）的考虑。

多路同时输出合成

虽然多重曝光的技术可以很好地实现在图片摄影上的高动态范围表现，但对于视频拍摄而言，就很难以同样的方式输出高动态范围的视频了。所以在视频拍摄行业中，图像传感器一般会采用一种名为双增益输出（DGO）的方式来提高动态范围。

诸如佳能部分C系列电影机，Arri的数字电影机等，就都在各自的传感器上部署了双增益架构。该架构可以同时为每个像素提供两个独立的读出路径，分别具备不同的增益放大倍率，两者同时输入机器的A/D转换器，从而合成高动态范围的视频。这样也就解决了多重曝光这类HDR方式可能具备的伪影等问题。

但DGO的方法并非毫无缺点，首先其架构设计等同于同时录制两条视频流，极大地增加了功耗，对于传感器的读出速度也提出了考验，所以DGO模式下工作的图像传感器往往难以做到高帧率拍摄。

利用类似设计架构的还有格科微最近发布的GC13A2传感器，在该传感器上格科微采用了其专利的DAG HDR技术。GC13A2可以输出12bit的高动态范围图像和4K 30fps视频，且格科微对其做了低功耗设计，在图像拍摄上3帧合成的场景功耗降低了50%，在高动态范围视频录制上的功耗降低了约30%。

写在最后

随着HDR传播途径越来越广，标准越来越完善，HDR显示设备的普及，图像传感器全面拥抱HDR技术必将成为常态。其中牵扯到了诸多图像计算的技术，也是各大图像传感器厂商新一轮的发力点，但对于图像传感器本身单帧输出的动态范围改进，也不应该有所懈怠。