HDR Imaging(2)--Digital Overlap

Digital Overlap 与上一期介绍的Dual conversion gain一样，都是目前比较流行的sensor HDR 技术，在监控与车载相机等领域的应用非常广泛。Sony于2012年在监控相机市场首先推出基于DOL（digital overlap） HDR技术的图像传感器，之后OV与Onsemi也都推出了与DOL类似的HDR技术的图像传感器，而且应用领域不局限于监控这种传统HDR imaging的市场，而且扩展到了Automotive camera市场。现在Sony已经推出了第二代支持虚拟通道DOL HDR技术的sensor。

1.什么是时域多帧HDR技术

相机在时间上连续输出由欠曝到过曝的图像，然后做图像融合，得到HDR图像。

融合后HDR图像

比较典型的一种融合方法是根据luminance，contrast，motion等条件，对第K帧图像的像素[i，j]给出权重。Wij,k 是第K帧，位置i，j像素的权重，Xk((i,j)是原始像素值，Xf（i，j）是融合后的像素值。公式如下

对彩色图像，权重的计算会考虑色彩的饱和度等因素。

2.传统时域多帧HDR技术存在的局限

由于传统时域多帧是基于连续曝光的整帧图像（Frame Based）进行融合，所以图像之间的间隔时间就是一帧图像的周期，由此会产生很多artefacts：

场景内物体增减

近距离物体快速移动形成拖影

Color artefact

Frame based的多曝光HDR技术常用于still image 的capture，也有视频HDR 采用这种技术，比如sensor以60fps的帧率交替输出长短曝光，融合后输出30fps的HDR图像。

早期的HDR video有采用这种技术，自从DOL技术出现后，这种Frame based Video HDR技术就逐渐退出历史舞台了。

3.什么是DOL HDR

DOL HDR 也叫做line interleaving HDR 技术。以两曝光DOL为例，sensor每行会以长短曝光两次先后输出，从readout角度来看，就是长曝光帧与短曝光帧 line interleaving 依次输出，如下图，第一行L输出，第一行S输出，第二行L输出，第二行S输出，以此类推。

frame based HDR，长短曝光帧的间隔是一个帧周期，也就是必须一整帧（长）曝光结束，再开始一整帧（短）曝光，如下图

对于DOL HDR而言，由于line interleaving（行的交织），存在两帧的overlap，等于一帧输出没结束，下一帧就来了，长短曝光帧的间隔大大缩小了。

从下图可见，长曝光帧与短曝光帧overlap了一部分，所以这种技术叫digital overlap。

4.DOL长短曝光帧的时间间隔

前边说过，Frame based HDR的长短曝光帧的间隔是一帧的时间，那么DOL HDR的长短曝光帧的时间间隔是多大呢？

如果先输出长曝光的话

如果先输出短曝光的话

T= long exposure 的时间

所以当然是先输出长曝光，这样T（时间间隔）会更小。。

5.DOL长短曝光时间比与动态范围扩展

以两曝光DOL 为例

Exposure ratio = Long exposure time/ short exposure time

假设Exposure ratio = 16，假设在xinhao 没有饱和的条件下，相当于曝光最大值增大了16倍：2^4。也就是动态范围扩大了4个bit。

以此类推，每增加一个曝光帧，如果exposure ratio =16，动态范围就可以扩大4bit。

按照一般HDR sensor 单曝光为12bit来算的话，4曝光就可以让sensor输出的动态范围扩大到24bit（12+4+4+4)。

exposure ratio 也不是越大越好，exposure ratio会受到三方面的制约，图像质量，sensor设计以及isp line delay buffer。

从图像质量上来说，短曝光时间越短，图像噪声越高，长曝光越长，motion的影响越大。Exposure Ratio越大，在图像融合后的SNR drop也越大。

从sensor设计上来说，长短曝光之比受到读出电路的限制，sony的DOL第二代采用虚拟通道技术一定程度改善了这个限制。

从ISP的角度来说line delay buffer 也限制了最大曝光时间。在短曝光行出来之前，第一个长曝光行应该还在delay buffer里，这样才能两者对齐好给后面的frame stitch操作。而长短曝光比越大，需要的line delay buffer就越大。

对于sensor做hdr融合case而言，line delay buffer size就是固定的，所以ISP倾向于在isp这端做HDR融合，这样可以更灵活的设计。（Maver注：对于车载而言，带宽是个主要关注点，所以大部分用户不会选择在ISP侧做HDR融合）

6.DOL的局限

Sony在推出DOL的时候，宣传DOL是‘准同时’输出长短曝光。既然是‘准同时’，那就还不是同时，所以也会有一些典型时域多帧HDR的图像质量问题，同时DOL也有一些特有的IQ问题。

HDR Transition Artefacts

可以从下左图看到composition noise造成的edge，这种edge有时候会误导机器视觉。

从DOL hdr的noise profile可以看出来，如下图，在HDR拼接处，可以看到SNR的显著变化，叫做snr drop，当SNR drop大的时候，就会出现明显的edge，如上图所示。

曝光比越小，SNR drop就越小, 可以想见，如果曝光比为1，也就没有snr drop了。反之，曝光比越大，动态范围越大，snr drop也越大，如下图所示。

Flicker

交流电供电光源造成的flickering，如下图：

为了避免banding，就得让最小曝光时间是半周期的整数倍。

这样就不会出现banding了。但是由于最小曝光时间变大了，动态范围就损失了。所以有时候为了保证不损失动态范围，就得容忍Flickering。这就得看应用场景了。

类似的问题发生在PWM供电的Led光源上，尤其是交通信号灯以及汽车信号灯，如下图所示

sensor的长曝光帧能catch到led 的light pulse，但是短曝光帧就没catch到，这样也会造成flickering甚至信号灯图像的丢失。

这种flicker或者信号灯信息丢失的问题在车载成像系统上是致命的，所以车载HDR现在更倾向采用spatial based HDR技术，比如Sony采用的sub pixel技术或者OV 采用的split pixel技术，我们下一期再继续介绍。

转载：全栈芯片工程师