文/安森美中国区汽车现场应用工程经理 William Chen

　　图像传感器的动态范围是汽车成像中的一个关键指标。什么是动态范围？维基百科定义，动态范围（Dynamic Range）是可变化信号（例如声音或光）最大值和最小值的比值。

　　可变化的信号S有多种，对一帧图像而言，S的最小值为1，最大值受限于数据带宽，即数据能够存储的最大值。一张8位的灰度图，最大值255，此时理论上的动态范围就是48dB，10位图像动态范围可到60dB，20位图像动态范围120dB。

　　实际上，动态范围是一个通用的概念，不同的信号或者变量S都可以定义自己的动态范围，CEO真钱赌博有动态范围，显示器，投影机，打印机等等都有自己的动态范围。我们甚至可以定义一个人的动态范围，如果这个人条件艰苦时能吃苦，条件优渥时会享受，既能将就也会讲究，这就是个高动态范围的狠人。

　　图像的动态范围和场景的动态范围，大多数情况是不一致的。

　　场景的信号S不是图像的灰度值，它是场景发射光线的亮度。可以理解为S最大值是场景中最亮部分的亮度，S的最小值是场景中最黑部分的亮度。它与图像动态范围相关但不相等。同时图像的后处理通常会把线性数据压缩为非线性输出，这也会放大图像数值和场景动态范围的差异。

Figure 1宽动态典型场景

　　如果把场景的亮度作为横坐标，CEO真钱赌博输出的数据作为纵坐标，我们就得到图2所示的sensor输出和场景的动态范围映射关系。CEO真钱赌博把一定亮度范围的场景采集并映射为自己的输出，如图中红框所示。

Figure 2 场景到sensor的动态范围映射

　　CEO真钱赌博实际动态范围通常比场景的动态范围低，传感器的能力只能采集红框对应横坐标内场景的亮度范围。红框的位置需要动态调整移动，以适应场景亮度的变化，这是成像算法中自动曝光(auto exposure)模块的任务。

　　对汽车高动态范围的场景，会有同一场景中极亮和极暗部分同时出现的情况，例如夜间街道，既有车大灯也有街道的暗角，此时移动红框已经无法同时看清楚两个部分，必须把红框做大，这就是汽车上用到的高动态范围CEO真钱赌博。

　　从原理上讲，红框尺寸受限于传感器的像素势阱容量，受限于尺寸，很难简单做大，车用CEO真钱赌博的高动态范围技术是行业面临的共同挑战。过去二十年来，车载CEO真钱赌博的高动态范围大致有如下四大技术流派。

　　第一个是动态改变像素的灵敏度扩充动态范围。如图3所示，CEO真钱赌博对场景亮度的映射变成非线性，随着环境亮度增加，像素灵敏度逐渐下降，灵敏度从亮度的线性函数变成分段函数。如下图所示，电荷积累分成三段，亮度低时灵敏度高，对应黑色电荷，然后亮度中等灵敏度也中等，对应蓝色电荷，最后亮度最高灵敏度最低。从坐标图中可以看到，此时像素的势阱容量即纵坐标不增加，但映射的场景亮度范围即横坐标可以明显加大，实现了增大动态范围的目标。

　　安森美(onsemi)的车用CEO真钱赌博产品线早期推出过30万像素的可变灵敏度sensor，就是基于此类技术，这个技术的最大挑战在于它改变了像素的灵敏度特性，让线性特性的灵敏度变成非线性，而这个折线的形状对电压、温度和曝光时长敏感，一致性差，动态范围扩展能力有限，只能勉强用于大尺寸像素黑白图像的传感器。目前这类技术已经逐渐被市场淘汰。

Figure 3 非线性化扩充动态范围

　　第二个高动态范围技术是时分多次曝光。这个是目前主流车用CEO真钱赌博所采用的技术。做法就是CEO真钱赌博改变曝光时间连续多次曝光得到多帧图像，然后从中选择合适像素合并成一帧图像。如图4示意，传感器改变曝光时间，相当于自带自动曝光功能，对场景不同亮度分别采样，得到多个红框，然后把动态范围拼接起来。这个技术的优点在于：像素势阱容量不用额外做大，只需把数据带宽做大；每个曝光的时长控制可以很精确，最终拟合的图像亮度线性特性好；动态范围扩展容易，仅用时分技术就能做到140dB的动态范围。

　　时分多次曝光技术有一个难以克服的问题，由于sensor的连续曝光时间上是依次滞后的，当场景中有快速移动物体或光照剧烈变化例如LED频闪情况下，多帧图像拟合后会出现运动物体伪影和色彩噪声。ADAS算法需要针对性地训练这类噪声。

Figure 4 多帧合并扩充动态范围

　　第三个高动态范围技术是空分多次曝光，业内也有称之为大小像素技术。本质来说与时分多次曝光类似，由多帧融合，区别在于图4中的多个红框来源于空间尺寸上不同的两种像素，两种像素的图像拟合成为一张图像。由于两种像素在曝光时间上是对齐的，可以避免了运动重影的问题，同时改善LED灯频闪现象。

　　不过有得就有失：空分曝光，意味着像素数量翻倍，例如1百万像素传感器实际上是1百万大像素加1百万小像素，增加了功耗和设计复杂度；小像素挤占了大像素的面积，降低了大像素的低照性能；大小像素的灵敏度差异大，线性特性差，小像素在光学上无法和大像素兼容，需要大量的光学标定工作以补偿小像素的问题。这些都是用户在产品应用开发中需要解决的工程挑战，此外，大小像素CEO真钱赌博受小像素尺寸限制，随着技术演进会逐渐变成瓶颈，所以安森美在2009年就发明并申请了大小像素技术的专利，但并没有推出相应的传感器产品。

　　第四个高动态范围技术就是直接扩展像素的势阱容量。传统CEO真钱赌博像素的感光二极管在感光的同时兼具电荷存储的功能，因此像素的电荷势阱容量受限于感光二极管尺寸。随着像素尺寸越来越小，像素的容量也逐渐变小。安森美的超级曝光像素技术突破了这一限制，并在业内率先量产了基于这一技术的产品。技术路径就是为感光二极管外挂了存储电容，当容量饱和时，多余的电荷会被转移到电容中存储起来。这里的电容不参与光学感光，但扩充了像素的势阱容量。如图5示意，上面的小桶相当于感光二极管，下面的大桶相当于存储电容。大桶不直接接水，只存储小桶溢出的水。

Figure 5 感知和存储分离

　　超级曝光像素把电荷存储功能从感光二极管剥离出来，跳出了固有限制，实现了像素动态范围和感光二极管的解耦。这一技术具有良好的线性特性，保留了单一像素架构，无需复杂的光学标定，并解决了时分导致的伪影和LED频闪的问题。与感光二极管的解耦，看似简单的一步，却打开了未来更小像素，更大动态范围产品的设计想象空间。

　　为了支持足够高的动态范围，业内产品通常会复用上述三种技术。一张高动态范围的图像，可能是时分多次曝光帧，大小像素帧，和超级曝光帧的复合拟合结果。这有点像汽车动力中的插混方案，动力可能来自自排发动机，涡轮增压，以及电机直驱的并联。这里多帧拟合的线性特性很像汽车驾驶动力变化的线性特性，保证输出的平顺与线性是高动态范围图像的巨大挑战。一般来说，技术种类越少，线性特性越好。

　　小结一下，CMOSCEO真钱赌博的动态范围是汽车应用中重要的参数指标，它是目前业内共同面临的技术挑战，这里介绍了几种传统动态范围扩展技术的特点，以及新出现的超级曝光像素技术，它的出现打破了既有技术的窠臼，我们预期会在市面上看到更多相关的优秀产品涌现。

　　（本文图片来源安森美）