【導讀】圖像傳感器廣泛用于安防監(jiān)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(wěn)定工作,以支持圖像視覺和機器視覺等功能。高動態(tài)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(jiān)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(wěn)定工作,以支持圖像視覺和機器視覺等功能。高動態(tài)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(tài)范圍用于描述傳感器在較暗和較亮區(qū)域中捕獲圖像細節(jié)的能力。只有動態(tài)范圍較高的圖像才能讓人同時看到亮區(qū)和暗區(qū)的細節(jié)。人眼的動態(tài)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(tài)范圍,常用的方法是拍攝多張曝光時間不同的低動態(tài)范圍圖像,然后將它們合并在一起以獲得高動態(tài)范圍圖像。長曝光圖像可捕捉圖像中的暗區(qū),而短曝光圖像可捕捉亮區(qū),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(qū)和亮區(qū)。
線性化與相關的挑戰(zhàn)
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(nèi)存,此外為實現(xiàn)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(tài)范圍圖像時,還可能會遇到特定的圖像質(zhì)量問題。在惡劣的成像條件下,這些圖像質(zhì)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(nèi)鄰近區(qū)域使用來自多張圖像的數(shù)據(jù)
安森美 (onsemi)的白皮書《利用低帶寬高動態(tài)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(jié)省能耗方面的優(yōu)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(tài)范圍 (eHDR) 技術無需依賴于主機 ISP/SoC,便能在傳感器上創(chuàng)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(chǎn)生的種種問題。
智能線性化改善轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換到短曝光信號時會導致出現(xiàn)較明顯的偽影現(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)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(fā)現(xiàn)信號水平下降,圖像也從短曝光轉(zhuǎn)換到長曝光。圖 1 的左側圖像未啟用智能線性化功能??梢钥吹郊t色箭頭處存在較明顯的偽影現(xiàn)象,這正是因不同曝光水平而造成的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)長曝光信號和經(jīng)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(xiàn)顏色偽影,即在運動發(fā)生的區(qū)域中存在色調(diào)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(tài),導致整個場景的整體圖像質(zhì)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(jù)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(zhuǎn)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(qū)域出現(xiàn)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(jié)。智能線性化關閉時,風扇葉片附近出現(xiàn)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(tài);而當另一個顏色通道進行短曝光成像時,LED燈已經(jīng)關閉。后續(xù)合并不同曝光時間的圖像時,圖像的色調(diào)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(tài),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(jù)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(tài),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?nèi)搜塾^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(jié)。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(yōu)勢
隨著攝像頭分辨率的持續(xù)提升以及汽車或監(jiān)控系統(tǒng)所連接的攝像頭數(shù)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(fā)凸顯。將線性化算法轉(zhuǎn)移到傳感器有助于節(jié)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(chǎn)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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