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HDR Imaging--Digital Overlap
  • 分类:测试技术
  • 原作者:maver jiang
  • 时间:2020-03-31
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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。

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融合后HDR图像

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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

 

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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

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近距离物体快速移动形成拖影

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Color artefact

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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。

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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。

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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

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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。

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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

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如果先输出短曝光的话

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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。

 

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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。

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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。

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Flicker


交流电供电光源造成的flickering,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

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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

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maver jiang
简介:大话成像
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