我們在上一期講了時域多幀HDR技術(shù)--Digital Overlap. 現(xiàn)在在監(jiān)控領(lǐng)域的WDR sensor主要采用這種技術(shù)，如下圖，利用不同的sensor曝光（藍(lán)色線所示）覆蓋不同的動態(tài)范圍，再把多曝光圖像stitching起來（紅色線所示），達(dá)到最大的動態(tài)范圍輸出。Sony的imx290，OV的ov4689都是這個類型典型sensor。

車載領(lǐng)域也廣泛使用Temporal domain HDR技術(shù)，但是隨著車載相機在ADAS與自動駕駛領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對圖像質(zhì)量有著特別的需求，導(dǎo)致Temporal domain HDR技術(shù)不能滿足需要。車載比較典型的兩個IQ需求是不能有motion artefact 和 LED flickering。

motion artefact

LED flickering

Temporal HDR 在原理上就存在這些缺陷，所以要解決這個問題就需要使用其他的HDR體制：Spatial HDR技術(shù)是現(xiàn)在車載領(lǐng)域的主流解決方案。

比較典型的是Sony sensor（imx390/490）采用的Subpixel技術(shù)與OV sensor（ovx1a)采用的split pixel技術(shù)，他們都屬于SpatialHDR技術(shù)范疇，其基本原理是一致的。

1.大小pixel的分離結(jié)構(gòu)

與普通CFA的不同，大小pixel技術(shù)的sensor在相鄰位置有一大一小兩個pixel，他們空間上非常接近，可以認(rèn)為對空間采樣相同。

由于pixel的大小不同，物理上的sensitivity不同，F(xiàn)WC也不同，會產(chǎn)生與時域HDR一樣的不同曝光效果，形成了對不同動態(tài)范圍的覆蓋。如下圖可以看到LPD（Large Pixel Diode）與SPD（Small Pixel Diode）是如何擴展動態(tài)范圍的。

2.大小分離pixel的電路設(shè)計

典型的大小分離pixel的電路如下圖所示

SPD和LPD分別用黃色的二極管標(biāo)出。CGC（conversion gain control）與TG（transfer gate）控制了photo diode 向FD充電，當(dāng)TGs使能時，F(xiàn)D接收SPD來的電荷，RS會使能讓FD的電荷轉(zhuǎn)存出來。然后當(dāng)TGL使能時，F(xiàn)D接收LPD來的電荷，RS會再一次使能讓FD的電荷轉(zhuǎn)存出來。RST負(fù)責(zé)在每一次轉(zhuǎn)存后把FD電容清空。這樣的電路結(jié)構(gòu)就實現(xiàn)了LPD和SPD的分別讀出。這個部分的電路時鐘非常快，所以可以認(rèn)為大小像素是同時曝光的。后面的讀出電路也會把大小像素同時讀出，由下圖可見，T_lpd與T_spd是同時的。

3.大小像素HDR與時域HDR在motion artefact上的比較

由下圖可以看出基于大小像素的HDR與時域HDR在拍攝運動物體上的motion artefact比較。

左圖是基于大小像素的圖像，完全沒有motion artefact，右圖是時域HDR，可以看到明顯的motion artefact。

對于這種更挑戰(zhàn)的場景，舞廳的旋轉(zhuǎn)光球，左圖是大小像素HDR，右圖是時域HDR，可以看到時域HDR的圖像把小的運動光點都混到了一起。

4.大小像素與Dual conversion gain的結(jié)合

單獨靠大小像素只能形成兩個曝光的圖像，再結(jié)合之前介紹過的DCG技術(shù)，在大小pixel分別配合HCG，LCG，就可以形成4曝光。

假設(shè)單曝光輸出12bit，曝光比是16，那總共的動態(tài)范圍可以達(dá)到24bit輸出。

5.兩種場景的切換

如下圖，橫軸是場景的光亮度，縱軸是SNR，紅色曲線是LPD像素的SNR曲線，藍(lán)色曲線是LPD像素的SNR曲線。

SPD的飽和點更高，而LPD的低光SNR更高。這兩條曲線說明了大小像素這種設(shè)計可以很靈活的適配場景的變化，當(dāng)場景非常亮的情況，就用大小像素融合輸出，這樣可以擴大動態(tài)范圍。

當(dāng)場景非常暗的情況，就完全切換到LPD像素，因為它的SNR更高。

前段時間有讀者在大話成像QQ交流群里討論他們在使用大小像素sensor時出現(xiàn)的一些問題，并且把出現(xiàn)問題的圖像上傳到了大話成像論壇，感興趣的朋友可以去論壇進(jìn)一步閱讀。

論壇地址是 www.dahuachengxiang.com

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