【導(dǎo)讀】圖像傳感器廣泛用于安防監(jiān)控、隨身記錄儀、可視門鈴和機(jī)器人等應(yīng)用，必須能夠在各種惡劣成像條件下穩(wěn)定工作，以支持圖像視覺和機(jī)器視覺等功能。高動態(tài)范圍場景、運(yùn)動物體或 LED 閃爍等惡劣成像條件，會導(dǎo)致攝像頭難以準(zhǔn)確捕捉畫面。
圖像傳感器廣泛用于安防監(jiān)控、隨身記錄儀、可視門鈴和機(jī)器人等應(yīng)用，必須能夠在各種惡劣成像條件下穩(wěn)定工作，以支持圖像視覺和機(jī)器視覺等功能。高動態(tài)范圍場景、運(yùn)動物體或 LED 閃爍等惡劣成像條件，會導(dǎo)致攝像頭難以準(zhǔn)確捕捉畫面。
什么是 HDR，為什么需要 HDR？
圖像傳感器的動態(tài)范圍用于描述傳感器在較暗和較亮區(qū)域中捕獲圖像細(xì)節(jié)的能力。只有動態(tài)范圍較高的圖像才能讓人同時(shí)看到亮區(qū)和暗區(qū)的細(xì)節(jié)。人眼的動態(tài)范圍可以達(dá)到 100 dB 以上，但單次曝光的攝像頭很難達(dá)到這一水平。
為了擴(kuò)展動態(tài)范圍，常用的方法是拍攝多張曝光時(shí)間不同的低動態(tài)范圍圖像，然后將它們合并在一起以獲得高動態(tài)范圍圖像。長曝光圖像可捕捉圖像中的暗區(qū)，而短曝光圖像可捕捉亮區(qū)，因此在合并后的圖像中，我們將能夠看到分別利用長曝光信號和短曝光信號形成的暗區(qū)和亮區(qū)。
線性化與相關(guān)的挑戰(zhàn)
合并各張圖像的過程稱為線性化。多張圖像的線性化需占用大量內(nèi)存，此外為實(shí)現(xiàn)高幀率，還需具備強(qiáng)大的處理能力作為支撐。
完成線性化后，在查看已合并的高動態(tài)范圍圖像時(shí)，還可能會遇到特定的圖像質(zhì)量問題。在惡劣的成像條件下，這些圖像質(zhì)量問題或偽影會變得更加明顯。
例如，以下成像條件會導(dǎo)致偽影問題更加明顯：
場景中有運(yùn)動物體
場景中有 LED 燈閃爍
空間內(nèi)鄰近區(qū)域使用來自多張圖像的數(shù)據(jù)
安森美 (onsemi)的白皮書《利用低帶寬高動態(tài)范圍 (eHDR) 技術(shù)提高物體識別精度》說明了 eHDR 相對于 LI?HDR 在帶寬和節(jié)省能耗方面的優(yōu)勢。該白皮書重點(diǎn)介紹了由安森美的 AR0822 圖像傳感器提供支持的線性化模式，其中的嵌入式高動態(tài)范圍 (eHDR) 技術(shù)無需依賴于主機(jī) ISP/SoC，便能在傳感器上創(chuàng)建 HDR 圖像。AR0822 圖像傳感器的 eHDR 技術(shù)能夠有效應(yīng)對通過線性化將多張圖像合成 HDR 圖像時(shí)所遇到的重大難題，尤其是能夠解決因惡劣照明條件而產(chǎn)生的種種問題。
智能線性化改善轉(zhuǎn)換信噪比
一般的線性化過程會先使用長曝光信號，直至長曝光飽和（12 位 ADC 為 4095LSB），然后利用短曝光信號計(jì)算 HDR 圖像中所需的線性化信號。在 HDR 圖像中，由于短曝光信號的信噪比遠(yuǎn)低于長曝光信號，因此從長曝光信號轉(zhuǎn)換到短曝光信號時(shí)會導(dǎo)致出現(xiàn)較明顯的偽影現(xiàn)象。當(dāng) ISP 對該圖像進(jìn)行后處理時(shí)，偽影可能會進(jìn)一步放大。
為了有效管理從長曝光到短曝光的轉(zhuǎn)換過程，智能線性化會對長曝光和短曝光信號進(jìn)行加權(quán)組合，從而計(jì)算出一個(gè)信號。其中，長曝光和短曝光依據(jù)各自的信號水平被賦予不同的權(quán)重。通過這種智能線性化處理，當(dāng)從長曝光切換到短曝光時(shí)，信號會平滑傳輸。
圖 1 顯示了由頂部散射光照亮的相同場景，當(dāng)我們由上至下觀察這個(gè)灰色場景，會發(fā)現(xiàn)信號水平下降，圖像也從短曝光轉(zhuǎn)換到長曝光。圖 1 的左側(cè)圖像未啟用智能線性化功能。可以看到紅色箭頭處存在較明顯的偽影現(xiàn)象，這正是因不同曝光水平而造成的轉(zhuǎn)換偽影。
圖 1 的右側(cè)圖像開啟了智能線性化功能，可以看到偽影現(xiàn)象顯著緩解，能給人以更舒適的觀感，而且也降低了被機(jī)器視覺算法誤認(rèn)為是邊緣的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，AR0822 的智能線性化技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)不同曝光水平下信噪比的平滑過渡，避免信噪比突然變化。
圖 1.智能線性化技術(shù)能夠確保圖像在不同曝光水平下平滑過渡
智能線性化改善運(yùn)動偽影成像
對運(yùn)動場景進(jìn)行多次曝光成像時(shí)，可能出現(xiàn)長曝光信號和經(jīng)線性化的短曝光信號不等效的情況，這是由于場景中物體正在運(yùn)動造成的，并有可能導(dǎo)致出現(xiàn)顏色偽影，即在運(yùn)動發(fā)生的區(qū)域中存在色調(diào)變化。
減少長曝光時(shí)間在一定程度上有助于減小偽影的面積，但這種方法的可操作性不高，可能會造成大部分場景處于低光狀態(tài)，導(dǎo)致整個(gè)場景的整體圖像質(zhì)量下降。
AR0822 傳感器的智能線性化功能可以有效緩解場景中的顏色偽影。該功能會首先檢測場景中的運(yùn)動，即短曝光與長曝光在線性化信號水平上的差異。然后將根據(jù)檢測到的運(yùn)動程度，使用長曝光和短曝光的組合信號水平來減輕場景中的運(yùn)動偽影。
圖 2 為背景中有旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇的例子，對比了在智能線性化關(guān)閉和開啟兩種情況下的成像情況。智能線性化關(guān)閉時(shí)，風(fēng)扇葉片頂部附近區(qū)域出現(xiàn)了顏色偽影，這是由長曝光與線性化短曝光的信號水平差異造成的。在右側(cè)圖像，智能線性化算法檢測到了這一情況并進(jìn)行了校正。
圖 2.智能線性化 – 減少運(yùn)動偽影
圖 3 放大了圖 2 的部分細(xì)節(jié)。智能線性化關(guān)閉時(shí)，風(fēng)扇葉片附近出現(xiàn)了黃色的運(yùn)動偽影，而不是橙色。開啟智能線性化可以有效減輕這種顏色偽影。
圖 3.智能線性化技術(shù)能夠有效緩解運(yùn)動偽影
智能線性化改善 LED 閃爍成像
在一般線性化過程中，場景中不停閃爍的 LED 燈可能會導(dǎo)致圖像傳感器的某個(gè)顏色通道通過長曝光成像，而另一個(gè)顏色通道通過短曝光成像，具體取決于每個(gè)顏色通道的信號水平。因此，當(dāng)某個(gè)顏色通道正通過長曝光成像時(shí)，LED燈處于開啟狀態(tài)；而當(dāng)另一個(gè)顏色通道進(jìn)行短曝光成像時(shí)，LED燈已經(jīng)關(guān)閉。后續(xù)合并不同曝光時(shí)間的圖像時(shí)，圖像的色調(diào)可能會因此而改變。在比較糟糕的情況下，圖像中會顯示 LED 為關(guān)閉狀態(tài)，而肉眼卻看到 LED 正亮著。
智能線性化可以通過檢測長曝光與短曝光的線性化信號的差異，來感測由 LED 閃爍引起的閃爍偽影。它能根據(jù)觀測到的線性化信號的差異程度，智能地組合長曝光和短曝光，從而有效減輕顏色偽影。短曝光成像常會導(dǎo)致閃爍的 LED 呈關(guān)閉狀態(tài)，而開啟智能線性化則可以避免這個(gè)問題，讓圖像更接近我們?nèi)搜塾^察到的情況。
圖 4 對比了智能線性化關(guān)閉和開啟兩種情況下的 LED 閃爍圖像。智能線性化關(guān)閉時(shí)，場景中的一些 LED 燈會顯示顏色偽影，這是由長曝光與短曝光的信號水平差異造成的。在右側(cè)圖像，智能線性化算法檢測到了這一情況并進(jìn)行了校正。
圖 4.智能線性化 ? 視頻快照
圖 5 放大了圖 4 中的 LED 燈局部細(xì)節(jié)。智能線性化關(guān)閉時(shí)，在視頻中會看到閃爍的偽影，或者在快照圖像中會看到紅色箭頭所標(biāo)記的顏色偽影。開啟智能線性化可以有效減輕這些顏色偽影/閃爍偽影，如右側(cè)圖像所示。
圖 5.智能線性化技術(shù)能夠有效減少 LED 偽影
智能線性化的集成優(yōu)勢
隨著攝像頭分辨率的持續(xù)提升以及汽車或監(jiān)控系統(tǒng)所連接的攝像頭數(shù)量不斷攀升，片外ISP/SoC的處理負(fù)擔(dān)日益加劇，進(jìn)而使得算力和功耗問題愈發(fā)凸顯。將線性化算法轉(zhuǎn)移到傳感器有助于節(jié)省SoC的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)提高傳輸幀率。憑借AR0822傳感器的智能線性化等先進(jìn)算法，安森美可以有效減輕多重曝光HDR圖像產(chǎn)生的偽影，并且單個(gè)和多個(gè)傳感器可以輕松集成到ISP/SoC上。
文章來源：安森美
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