传感器 动态范围 【视觉知识】图像传感器的动态范围

【视觉知识】图像传感器的动态范围

动态范围（Dynamic Range）是图像传感器重要的参数之一，它决定了图像传感器所能接收的最暗的阴影部分到最亮的高光部分的光亮强度分布范围，也就是决定了所拍摄出来的图像的细节、层次、特征。

传统胶片成像

基于光化学理论，在相机拍摄时，光线通过相机镜头达到胶片的感光晶体卤化银上，引起胶片的光学密度发生变化，曝光量越大，光学密度越小，呈现非线性关系。当有光线照射到卤化银上时，卤化银转变为黑色的银，经过显彰工艺后固定于片基，成为黑白胶片。彩色胶片则是涂抹了三层卤化银来表现三原色。

数字图像成像

利用图像传感器（CCD、CMOS）把接收到的光信号通过传感器上的光敏单元离散成正比于曝光量的成千上万个像素点，并转换成模拟电压信号，再经过A/D转换处理后变成数字信号，然后经过微处理器的非线性运算转换成图像的标准存储格式。例如BMP、JPEG、TIFF等存储在物理介质上。

动态范围的定义

动态范围定义为最大可测光强与最小可测光强的比值，还可以定义为像素阱容量饱和时与无光照条件下的像素噪声电子数的比值，单位用分贝（dB）表示，表达式为：

自然场景中从无月的暗夜到太阳直射的动态范围约为180dB，而普通的图像传感器由于最大势阱容量的限制，动态范围通常在70dB左右。

真实世界中同一场景中动态范围变化很大，我们称之为高动态范围（High Dynamic Range），相对的普通图片上的动态范围为低动态范围（Low Dynamic Range）

相机的成像过程实际上就是真实世界的高动态范围到相片的低动态范围的映射（非线性），例如：

动态范围的影响因素

阱容量

普通图像传感器由于感光元件阱容量有限，存储光电荷的能力也有限，当光照强度超过一定程度时，存储的电荷达到饱和将无法再接收。一旦这些像素满载，光子便会溢出，溢出就会导致信息损失。

以红色为例，高光溢出使满载红色的像素附近的其它像素的值都变成255，但其实他们的真实值并没有达到255。换句话说，画面的细节发生了损失，这样会造成高光部分的信息缺失。如果我们以减少曝光时间来防止高光溢出，很多用来描述昏暗环境的像素则没有足够的时间接收光子量，得出的像素值为0，这样就会导致昏暗部分的信息缺失。

图像位深

目前普通的输出/显示设备受软硬件的限制，使得数字图像处理部分大多是基于8bit来进行的，只能表示出256个灰度等级，导致图像的亮度等级与真实场景的亮度等级相差较大。

因此，传统的图像传感器无论接收的图像有多大的亮度差，只要它被数字化为8位图像，那么这幅图像就只有256灰度级。若图像传感器的动态范围不同，它们提供的256级灰度反映的实际亮度差是不同的，即动态范围越大，就越能显示自然界的亮度变化。

提高动态范围的方法

阱容量调节

提供像素满阱容量或降低像素噪声水平是最直接的提高图像传感器动态范围的方法。然而现代像素的尺寸不断缩小，对于一个给定的像素架构，其具有固定的填充因子，因此，很难通过提高满阱容量的方法来扩展动态范围。

位深调节

提高图像位数是一个较为普遍的方法，能够通过将一幅图像的灰度级提高来体现更多的层次和更宽的动态范围。

对数响应技术

通过改变像素的信号输出曲线来推迟像素达到饱和时所需要的时间，从而实现增大像素电荷容量、扩展动态范围的目的。

多重曝光技术

在不改进像素光电二极管的前提下，传统低动态范围的图像传感器可以通过合成多张曝光图片来获得高动态范围图片。

【来源：Adaptive Vision公司】

CMOS图像传感器——高动态范围

东莞敏威光电科技有限公司（http://www.dgmv.cn/）是由华南理工大学研究生团队于2014年11月在东莞製造業之都——广东東莞成立的高科技型公司。公司主营范围为：机器视觉、节能环保、光机电、自动化等产品与配件，同时提供机器视觉软件、工控软件的集成、开发、咨询、销售于一体服务。

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动态范围是CMOS 图像传感器中很重要的一项评价指标。动态范围指示了CMOS 图像传感器能够在同一帧图像中同时探测到的最大光强信号和最小光强信号的范围。动态范围通常用dB 形式来表示，其计算公式如下其中Pmax 和Pmin 分别是最大非饱和光强与最小可探测光强。对于线性响应的传感器来说，最大非饱和光强对应满阱容量，最小可探测光强对应底噪声，那么动态范围也可以用满阱容量除以底噪声（e-）来计算。CMOS 图像传感器因为受到满阱容量、曝光时间和噪声的限制，其动态范围通常60~70dB，但是人眼的动态范围在100dB 以上，所以传感器所拍摄的内容很难准确还原人眼所观察到的场景。在一些特定领域，如汽车电子、安防监控等，也需要传感器的动态范围达到100dB 以上。那么为了扩展图像传感器的动态范围，近20 年来提出了很多的方法和技术。除了降低Pmin 来扩展动态范围，更为常用的动态范围扩展技术是提高Pmax。人眼的动态范围高达100dB 以上，远高于普通的图像传感器。人眼拥有以下三种机制来达到如此大的动态范围。首先，人眼中有两种细胞在感光，一种是视锥细胞，另一种叫视杆细胞，两种细胞对光的响应度是不同的，能够分别感测到高、低光照部分的信息。其次，人眼的响应与光强的关系并不是线性的，而是呈现对数形式的，所以人眼在高光强下敏感度比较低，不容易饱和。最后，人眼还能够根据所观测场景的亮度自动调节进光量，相当于平移光响应曲线。综合以上工作机制，人眼能够获得很大的动态范围。基于人眼的感光机制，图像传感器也可以采取类似的方法来获取大动态范围。主流的动态范围扩展技术分为五类：多灵敏度、对数光响应、阱容量调整、饱和探测和多次曝光。一、多灵敏度前面提到人眼中有两种感光细胞，这两种细胞的感光度不同，就能获得大的动态范围。那么在CMOS 图像传感器的中，可以在一个像素中同时集成具有高低灵敏度探测能力的两个光电探测器来模拟人眼这种机制来实现大动态范围。在明亮条件下，低灵敏度的光电探测器工作，而在暗环境下，高灵敏度的光电探测器工作。这种方式与人类视觉系统是很类似的。还有方案是将CMOS 图像传感器像素中，PD 是高感光度的光电探测器，而将FD 作为低感光度的探测器。在明亮条件下，一些光生载流子通过衬底扩散到FD 区域，并且被FD 收集，成为能够响应强光的电荷。二、对数光响应对数光响应传感器将需要很高电压摆幅才能探测的光强通过对数形式压缩，在相同的电压摆幅范围内，实现更大的探测范围。目前对数传感器通常是在像素中增加一个工作在亚阈值的晶体管来实现对数响应。 除了通过像素改进输出对数响应，还有通过把ADC 的量化曲线修改成指数的关系也可以输出对数光响应。对数传感器的限制因素主要在于工艺失配、低光下的噪声和图像拖尾。这些问题都是由对数传感器中的亚阈值工作的晶体管引起的。因此很多研究都在关注如何消除对数传感器的FPN。为了解决低光下对数传感器噪声特性差的问题，一些研究提出了线性-对数响应的传感器。在低光强条件下传感器呈现出线性响应，而在高光强条件下传感器的光响应表现为对数形式。因为低光照条件下线性响应通常表现出更好的信噪比和FPN 等特性，所以低光照成像能力得到提升，而高光照条件下对数响应又能够保证传感器有足够的探测范围。因此这种线性-对数响应传感器是对数传感器的重要改进。三、阱容量调整阱容量调整方案就是在曝光期间调整PD 的满阱容量，来改变光响应曲线。在这个方案中，需要用到一个用于电荷泄放的漏极（over-flow drain，OFD）。通过调整积分区域和泄放漏之间栅极的电压来将光响应曲线调整为非线性。当照射到图像传感器足够强时，光电二极管就会饱和，通过逐渐减低泄放漏极的阱电势，释放部分光生电荷，强光就不容易使像素饱和，同时弱信号也能够保留下来。这种方法在3T 和4T 有源像素中实现起来都非常容易，而且在低光条件下它具有很好的信噪比特性。上面通过调整PD 的电荷容纳能力来提高动态范围，但是当PD 足够大时，满阱容量的限制主要在于转换节点FD，所以调整转换节点也能够获得大动态范围特性。常见方案是在FD 旁增加一个小电容CS。暗光下只用FD 来获得高灵敏度信号，强光下用FD+CS 来获得更大的阱容量来提高强光信号探测能力，所以传感器不仅在暗光下拥有高灵敏度，其动态范围也得到了保证。四、饱和探测饱和探测方案是通过检测积分信号或者积分电荷，当其达到某一阈值就将像素复位，再继续探测，如此重复进行，最后输出未饱和的信号和记录下的复位次数。饱和探测方案在工作过程中将部分信号转换为了数字量，所以其对信号摆幅的依赖要远小于普通的APS 像素，也就是说这种方案可以在满阱容量受限的条件下，实现大的动态范围。饱和探测的具体实现方案主要分为脉冲宽度调制型（pulse width modulation，PWM）和脉冲频率调制型（pulse frequency modulation，PFM）像素。脉冲宽度调制型传感器是探测信号达到某一阈值的时间从而将这一时间转化为一个宽度可调的脉冲，并且用计数器记录这一脉冲宽度所占用的时钟数，最终用这个时钟数来表示光强。现有研究发现PWM 型像素更加适合深亚微米工艺的低电压、低功耗设计。PWM 型传感器动态范围主要取决于暗电流水平和计数时钟的频率，所以其动态范围的限制因素要比普通APS 要容易小的多，所以PWM 传感器更容易获得大动态范围。脉冲频率调制PFM 型传感器的是当PD 电压达到某阈值时即对PD 进行复位，再次积分，如此重复工作。PFM 型图像传感器的动态范围限制与PWM 类似，最低探测光强都是受限于暗电流，而最高探测光强，PFM 传感器是受限于复位时间。五、多次曝光技术多次曝光技术是一种对目标场景进行长短不同多次曝光，并将多次曝光得到的图像合成为一幅图像的动态范围扩展技术。这种动态范围扩展方法不需要修改传感器结构，只是简单的时序调整，所以其易于实现，扩展效果好，是一种常用的动态范围扩展技术。常见方案是在一帧的曝光时间内插入多个不同的短曝光时间。这种曝光方案按照先长曝光后短曝光顺序依次进行所有的短时间曝光和读出。在这种方案中，像素复位之后，先进行最长曝光，长曝光信号读出并开始短曝光，在短曝光的读出阶段，像素开始更短时间的曝光，后面如果还有更多次的短曝光就完全以此方式完成所有的短曝光操作。对于多次曝光，还有许多其他方案，这里仅抛砖引玉。————————————————如有侵权请联系本人删除

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