車用圖像傳感器參數(shù)小議——?jiǎng)討B(tài)范圍

圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是汽車成像中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。什么是動(dòng)態(tài)范圍？維基百科定義，動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic Range）是可變化信號(hào)（例如聲音或光）最大值和最小值的比值。

         可變化的信號(hào)S有多種，對(duì)一幀圖像而言，S的最小值為1，最大值受限于數(shù)據(jù)帶寬，即數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)的最大值。一張8位的灰度圖，最大值255，此時(shí)理論上的動(dòng)態(tài)范圍就是48dB，10位圖像動(dòng)態(tài)范圍可到60dB，20位圖像動(dòng)態(tài)范圍120dB。

         實(shí)際上，動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)通用的概念，不同的信號(hào)或者變量S都可以定義自己的動(dòng)態(tài)范圍，圖像傳感器有動(dòng)態(tài)范圍，顯示器，投影機(jī)，打印機(jī)等等都有自己的動(dòng)態(tài)范圍。我們甚至可以定義一個(gè)人的動(dòng)態(tài)范圍，如果這個(gè)人條件艱苦時(shí)能吃苦，條件優(yōu)渥時(shí)會(huì)享受，既能將就也會(huì)講究，這就是個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的狠人。

         圖像的動(dòng)態(tài)范圍和場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍，大多數(shù)情況是不一致的。

         場(chǎng)景的信號(hào)S不是圖像的灰度值，它是場(chǎng)景發(fā)射光線的亮度。可以理解為S最大值是場(chǎng)景中最亮部分的亮度，S的最小值是場(chǎng)景中最黑部分的亮度。它與圖像動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)但不相等。同時(shí)圖像的后處理通常會(huì)把線性數(shù)據(jù)壓縮為非線性輸出，這也會(huì)放大圖像數(shù)值和場(chǎng)景動(dòng)態(tài)范圍的差異。

Figure 1寬動(dòng)態(tài)典型場(chǎng)景

         如果把場(chǎng)景的亮度作為橫坐標(biāo)，圖像傳感器輸出的數(shù)據(jù)作為縱坐標(biāo)，我們就得到圖2所示的sensor輸出和場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍映射關(guān)系。圖像傳感器把一定亮度范圍的場(chǎng)景采集并映射為自己的輸出，如圖中紅框所示。

Figure 2 場(chǎng)景到sensor的動(dòng)態(tài)范圍映射

         圖像傳感器實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍通常比場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍低，傳感器的能力只能采集紅框?qū)?yīng)橫坐標(biāo)內(nèi)場(chǎng)景的亮度范圍。紅框的位置需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整移動(dòng)，以適應(yīng)場(chǎng)景亮度的變化，這是成像算法中自動(dòng)曝光(auto exposure)模塊的任務(wù)。

         對(duì)汽車高動(dòng)態(tài)范圍的場(chǎng)景，會(huì)有同一場(chǎng)景中極亮和極暗部分同時(shí)出現(xiàn)的情況，例如夜間街道，既有車大燈也有街道的暗角，此時(shí)移動(dòng)紅框已經(jīng)無(wú)法同時(shí)看清楚兩個(gè)部分，必須把紅框做大，這就是汽車上用到的高動(dòng)態(tài)范圍圖像傳感器。

         從原理上講，紅框尺寸受限于傳感器的像素勢(shì)阱容量，受限于尺寸，很難簡(jiǎn)單做大，車用圖像傳感器的高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)是行業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn)。過(guò)去二十年來(lái)，車載圖像傳感器的高動(dòng)態(tài)范圍大致有如下四大技術(shù)流派。

         第一個(gè)是動(dòng)態(tài)改變像素的靈敏度擴(kuò)充動(dòng)態(tài)范圍。如圖3所示，圖像傳感器對(duì)場(chǎng)景亮度的映射變成非線性，隨著環(huán)境亮度增加，像素靈敏度逐漸下降，靈敏度從亮度的線性函數(shù)變成分段函數(shù)。如下圖所示，電荷積累分成三段，亮度低時(shí)靈敏度高，對(duì)應(yīng)黑色電荷，然后亮度中等靈敏度也中等，對(duì)應(yīng)藍(lán)色電荷，最后亮度最高靈敏度最低。從坐標(biāo)圖中可以看到，此時(shí)像素的勢(shì)阱容量即縱坐標(biāo)不增加，但映射的場(chǎng)景亮度范圍即橫坐標(biāo)可以明顯加大，實(shí)現(xiàn)了增大動(dòng)態(tài)范圍的目標(biāo)。

         安森美(onsemi)的車用圖像傳感器產(chǎn)品線早期推出過(guò)30萬(wàn)像素的可變靈敏度sensor，就是基于此類技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的最大挑戰(zhàn)在于它改變了像素的靈敏度特性，讓線性特性的靈敏度變成非線性，而這個(gè)折線的形狀對(duì)電壓、溫度和曝光時(shí)長(zhǎng)敏感，一致性差，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展能力有限，只能勉強(qiáng)用于大尺寸像素黑白圖像的傳感器。目前這類技術(shù)已經(jīng)逐漸被市場(chǎng)淘汰。

Figure 3 非線性化擴(kuò)充動(dòng)態(tài)范圍

         第二個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)是時(shí)分多次曝光。這個(gè)是目前主流車用圖像傳感器所采用的技術(shù)。做法就是圖像傳感器改變曝光時(shí)間連續(xù)多次曝光得到多幀圖像，然后從中選擇合適像素合并成一幀圖像。如圖4示意，傳感器改變曝光時(shí)間，相當(dāng)于自帶自動(dòng)曝光功能，對(duì)場(chǎng)景不同亮度分別采樣，得到多個(gè)紅框，然后把動(dòng)態(tài)范圍拼接起來(lái)。這個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：像素勢(shì)阱容量不用額外做大，只需把數(shù)據(jù)帶寬做大；每個(gè)曝光的時(shí)長(zhǎng)控制可以很精確，最終擬合的圖像亮度線性特性好；動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展容易，僅用時(shí)分技術(shù)就能做到140dB的動(dòng)態(tài)范圍。

         時(shí)分多次曝光技術(shù)有一個(gè)難以克服的問(wèn)題，由于sensor的連續(xù)曝光時(shí)間上是依次滯后的，當(dāng)場(chǎng)景中有快速移動(dòng)物體或光照劇烈變化例如LED頻閃情況下，多幀圖像擬合后會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體偽影和色彩噪聲。ADAS算法需要針對(duì)性地訓(xùn)練這類噪聲。