【導讀】圖像傳感器廣泛用于安防監控、隨身記錄儀、可視門鈴和機器人等應用，必須能夠在各種惡劣成像條件下穩定工作，以支持圖像視覺和機器視覺等功能。高動態范圍場景、運動物體或 LED 閃爍等惡劣成像條件，會導致攝像頭難以準確捕捉畫面。
圖像傳感器廣泛用于安防監控、隨身記錄儀、可視門鈴和機器人等應用，必須能夠在各種惡劣成像條件下穩定工作，以支持圖像視覺和機器視覺等功能。高動態范圍場景、運動物體或 LED 閃爍等惡劣成像條件，會導致攝像頭難以準確捕捉畫面。
什么是 HDR，為什么需要 HDR？
圖像傳感器的動態范圍用于描述傳感器在較暗和較亮區域中捕獲圖像細節的能力。只有動態范圍較高的圖像才能讓人同時看到亮區和暗區的細節。人眼的動態范圍可以達到 100 dB 以上，但單次曝光的攝像頭很難達到這一水平。
為了擴展動態范圍，常用的方法是拍攝多張曝光時間不同的低動態范圍圖像，然后將它們合并在一起以獲得高動態范圍圖像。長曝光圖像可捕捉圖像中的暗區，而短曝光圖像可捕捉亮區，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和亮區。
線性化與相關的挑戰
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存，此外為實現高幀率，還需具備強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范圍圖像時，還可能會遇到特定的圖像質量問題。在惡劣的成像條件下，這些圖像質量問題或偽影會變得更加明顯。
例如，以下成像條件會導致偽影問題更加明顯：
場景中有運動物體
場景中有 LED 燈閃爍
空間內鄰近區域使用來自多張圖像的數據
安森美 (onsemi)的白皮書《利用低帶寬高動態范圍 (eHDR) 技術提高物體識別精度》說明了 eHDR 相對于 LI?HDR 在帶寬和節省能耗方面的優勢。該白皮書重點介紹了由安森美的 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范圍 (eHDR) 技術無需依賴于主機 ISP/SoC，便能在傳感器上創建 HDR 圖像。AR0822 圖像傳感器的 eHDR 技術能夠有效應對通過線性化將多張圖像合成 HDR 圖像時所遇到的重大難題，尤其是能夠解決因惡劣照明條件而產生的種種問題。
智能線性化改善轉換信噪比
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低于長曝光信號，因此從長曝光信號轉換到短曝光信號時會導致出現較明顯的偽影現象。當 ISP 對該圖像進行后處理時，偽影可能會進一步放大。
為了有效管理從長曝光到短曝光的轉換過程，智能線性化會對長曝光和短曝光信號進行加權組合，從而計算出一個信號。其中，長曝光和短曝光依據各自的信號水平被賦予不同的權重。通過這種智能線性化處理，當從長曝光切換到短曝光時，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，當我們由上至下觀察這個灰色場景，會發現信號水平下降，圖像也從短曝光轉換到長曝光。圖 1 的左側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象，這正是因不同曝光水平而造成的轉換偽影。
圖 1 的右側圖像開啟了智能線性化功能，可以看到偽影現象顯著緩解，能給人以更舒適的觀感，而且也降低了被機器視覺算法誤認為是邊緣的風險。由此可見，AR0822 的智能線性化技術有助于實現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
智能線性化改善運動偽影成像
對運動場景進行多次曝光成像時，可能出現長曝光信號和經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動造成的，并有可能導致出現顏色偽影，即在運動發生的區域中存在色調變化。
減少長曝光時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，導致整個場景的整體圖像質量下降。
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。然后將根據檢測到的運動程度，使用長曝光和短曝光的組合信號水平來減輕場景中的運動偽影。
圖 2 為背景中有旋轉風扇的例子，對比了在智能線性化關閉和開啟兩種情況下的成像情況。智能線性化關閉時，風扇葉片頂部附近區域出現了顏色偽影，這是由長曝光與線性化短曝光的信號水平差異造成的。在右側圖像，智能線性化算法檢測到了這一情況并進行了校正。
圖 2.智能線性化 – 減少運動偽影
圖 3 放大了圖 2 的部分細節。智能線性化關閉時，風扇葉片附近出現了黃色的運動偽影，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.智能線性化技術能夠有效緩解運動偽影
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 燈可能會導致圖像傳感器的某個顏色通道通過長曝光成像，而另一個顏色通道通過短曝光成像，具體取決于每個顏色通道的信號水平。因此，當某個顏色通道正通過長曝光成像時，LED燈處于開啟狀態；而當另一個顏色通道進行短曝光成像時，LED燈已經關閉。后續合并不同曝光時間的圖像時，圖像的色調可能會因此而改變。在比較糟糕的情況下，圖像中會顯示 LED 為關閉狀態，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。短曝光成像常會導致閃爍的 LED 呈關閉狀態，而開啟智能線性化則可以避免這個問題，讓圖像更接近我們人眼觀察到的情況。
圖 4 對比了智能線性化關閉和開啟兩種情況下的 LED 閃爍圖像。智能線性化關閉時，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。在右側圖像，智能線性化算法檢測到了這一情況并進行了校正。
圖 4.智能線性化 ? 視頻快照
圖 5 放大了圖 4 中的 LED 燈局部細節。智能線性化關閉時，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，如右側圖像所示。
圖 5.智能線性化技術能夠有效減少 LED 偽影
智能線性化的集成優勢
隨著攝像頭分辨率的持續提升以及汽車或監控系統所連接的攝像頭數量不斷攀升，片外ISP/SoC的處理負擔日益加劇，進而使得算力和功耗問題愈發凸顯。將線性化算法轉移到傳感器有助于節省SoC的計算時間，同時提高傳輸幀率。憑借AR0822傳感器的智能線性化等先進算法，安森美可以有效減輕多重曝光HDR圖像產生的偽影，并且單個和多個傳感器可以輕松集成到ISP/SoC上。
文章來源：安森美
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