讓汽車“洞察秋毫”，HDR已成車規(guī)級CIS必看硬指標!

作者：愛集微 2023-11-20

來源：元視芯 #元視芯# #HDR# #HDR技術#

在當今智能手機普及的時代，HDR這個詞已經變得家喻戶曉。當我們在拍照時，我們常常會面臨一個問題：

如果我們優(yōu)先考慮高光區(qū)域的曝光，暗部細節(jié)很容易丟失；而如果我們優(yōu)先考慮暗部細節(jié)，高光部分則往往會曝光過度。結果通常是，高光區(qū)域曝光過度，而暗部區(qū)域也因曝光不足而難以看清。

為了解決這一問題，HDR (High-Dynamic Range)—— 高動態(tài)范圍技術應運而生。HDR是一種圖像處理技術，它能夠擴大圖像的動態(tài)范圍，使得圖像的高光區(qū)域和暗部區(qū)域都能夠得到更好的展現(xiàn)。通過使用HDR技術，我們可以得到更加真實、更加豐富的圖像細節(jié)效果。

除了手機以外，數(shù)碼相機也有HDR，車載攝像頭也有HDR……但這些HDR都是通過同一種方式來實現(xiàn)的嗎？實際上并非如此。

一、當我們提到HDR時，并不僅僅只是在討論明暗細節(jié)

相機和許多數(shù)碼相機等設備，通常是運用多幀合成技術來實現(xiàn)HDR效果。這意味著在拍攝時，設備會捕捉至少2-3張不同曝光度的照片，然后通過軟件算法將這些照片整合為一張照片，以便同時保留高光區(qū)域的細節(jié)和暗部區(qū)域的細節(jié)。

然而，多幀合成技術并非實時的HDR技術。這種類型的HDR技術并不太適合用于拍攝動態(tài)對象（例如汽車艙外攝像頭），因為在合成前后被拍攝物會發(fā)生位移或改變，可能會導致重影或殘影等運動模糊。

圖片來自于Navitar成像光學“【應用】充當自動駕駛汽車“眼睛”的高動態(tài)范圍(HDR)成像技術”一文

在汽車ADAS應用的各種傳感器中，CMOS圖像傳感器（以下簡稱CIS）可以說是實現(xiàn)關鍵功能最重要的傳感器。它對于移動物體、路況檢測以及所有光照條件下的物體檢測、識別等都起著重要作用。正由于車載圖像傳感器所提供的影像信息是后端運算的關鍵識別“依據(jù)”，因此除了對明暗細節(jié)的呈現(xiàn)性能外，圖像的準確度也顯得尤為緊要，一旦產生運動模糊，會直接導致后端算法的判斷錯誤。因此當我們討論車規(guī)級CIS的HDR性能時，并不能僅僅只是討論明暗細節(jié)，如何讓車載攝像頭真正做到“準確地”洞察秋毫，同樣關鍵！

二、汽車ADAS應用“呼喚”怎樣的HDR技術？

要說明白這個問題，我們必須先理清汽車HDR技術實現(xiàn)的難點在哪兒？

汽車ADAS由于往往要應對穿越隧橋、夜間迎面大燈等許多極端亮度差的應用場景，所以對HDR性能要求極高（120dB~140dB）。

同時，如前文所述，汽車行駛過程也是極為典型的高速運動物體拍攝場景，因此傳統(tǒng)的多幀合成的HDR方式很難勝任：不僅容易產生殘影、重影等運動模糊，還會因為多幀合成導致幀率減損而造成響應延遲。

為了解決這個問題，Subpixel-HDR技術（俗稱“大小Pixel設計”）應運而生，即一個像素具有大片OCL（上微透鏡）和小的OCL，分別給SP1和SP2使用。SP2的OCL位于SP1的OCL的間隙部分中，這使得SP1與SP2的靈敏度比等于10:1。

相對于多幀合成HDR，這樣的像素設計架構的傳感器中SP1和SP2的信號是被同一時刻采樣并且被串行輸出的。同時，SP1以及SP2中累積的電荷都會被轉換為兩種模式下的電壓，即高轉換增益（HCG）以及通過切換FDG來實現(xiàn)的低轉換增益（LCG）。從而能夠輸出在同一時刻采集的4張不同靈敏度的圖像，來解決運動模糊和重影的問題。（該項技術最早由SONY于IEEE中發(fā)表）

圖片來自于“ADAS之眼”的“ADAS-一文看懂索尼車載CIS傳感器之SubPixel-HDR技術”一文

然而，一個問題的解決往往會帶來后續(xù)問題的產生，大小Pixel的設計雖然很好地解決了運動模糊和殘影，但由于大Pixel和小Pixel之間容易產生信號串擾問題，又造成了炫光和顏色失真的新問題。同時由于大小Pixel的設計架構，還產生了將近25%的light loss，一定程度上降低了CIS的感度。

Split Pixel產生信號串擾和顏色失真的原因圖解

既要解決運動模糊、失真的問題，還要兼顧感度、幀率以及色彩還原度等各方面性能，確實并非一樁易事。工程師們?yōu)榱巳婊膺@些問題以創(chuàng)造真正適用于汽車ADAS應用需求的CIS，可謂是絞盡腦汁。

三、LOFIC + DCG HDR Technology

什么是LOFIC + DCG HDR技術？

LOFIC = Lateral overflow integrated capacitor 即橫向溢出集成式電容技術。是一種通過多級電容的設計，將PD中的電荷溢出并進行分級存儲的IC設計架構，再結合DCG技術將其轉換為兩種模式下的電壓來進行讀取，就能夠實現(xiàn)一幀曝光下低亮度（高光細節(jié)）+高亮度（暗處細節(jié)）兩張圖像的輸出（無幀率減損）。并且得益于這種分級電容的設計，在暗光場景下，PD中的電子能夠在FD中以更高的電壓（增益）讀取，而得到更為明亮的畫面，實現(xiàn)更高的感度。此外，有別于大小Pixel的像素設計，元視芯LOFIC技術仍舊采用了單Pixel+單大片上微透鏡（OCL）設計，因而不會產生信號串擾和Light Loss的問題。