3.17 Foveon sensor

研究发现,不同波长的光在硅材料中能够穿透的深度是不同的,下表是关于穿深的统计。


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Foveon 公司开发了一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器,型号为Foveon X3。与传统的Bayer阵列原理不同,Foveon 利用了蓝光穿透距离小,红光穿透距离大的原理,采用三层感光元件堆叠布局,每层记录一个颜色通道。


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3.14 宽动态(WDR)

宽动态即Wide Dynamic Range,与之等价的一个术语是高动态即High Dynamic Range (HDR)。单从语法的角度看,WDR比HDR在语法上更严谨一些,因为形容一个范围可以说“宽窄”但很少说"高矮",除此之外其实并无技术层面的区别。

从另一个角度看,当用水平的图表比较动态范围时,用WDR术语是最恰当的,如下图。


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然而,如果需要使用下面的图表对比动态范围,则用HDR术语似乎也显得合适了。


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现在一个流行的趋势似乎是用WDR描述与视频相关的应用,用HDR描述与静态图片相关的应用,其实在笔者看来这个界定也并无理论依据,只是一种约定俗成的习惯。

在前面第3.5节中已提到,目前较好的工艺水平(SONY)可以让sensor 提供80~90dB的极限动态范围,但是更多就不合理也不经济了,因此超过80dB的动态范围一般需要通过其它技术实现。目前大致有九种技术路线可以实现WDR技术,即

  • Staggered 长短曝光帧融合,非同时曝光,存在运动伪影问题,短帧存在flicker问题

  • Interleaved 行交替曝光,将像素以两行为单位分组,长、短交替曝光,存在分辨率损失

  • Chopped 斩波曝光,主要解决flicker问题

  • Lin-Log 函数响应,依赖特别的像素设计,LDR区间为线性响应,HDR区间变为log规律响应,缺点是FPN较大

  • Dual-diode pixel,两种不同敏感度的像素呈棋盘格排列,长、短帧同时曝光,存在分辨率损失和运动伪影

  • LOFIC 像素,用大电容收集像素溢出的电荷,原理与Split-diode pixel 有些类似

  • Complementary carrier pixel,在LOF基础上使用电子-空穴两种互补载流子,显著提高阱容

  • DCG 像素 (Dual Conversion Gain),每个像素可独立控制增益,等效于实现两种敏感度像素

  • Split-diode pixel, 将每个像素的光敏区切成两块,分别负责短曝光和长曝光,没有分辨率损失和运动伪影


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3.14.1 Staggered

第一种模式应用最为普遍,sensor输出两帧图像用于宽动态融合,一帧短曝光图像重点采集亮部信息,一帧长曝光图像重点采集暗部信息,两帧图像同时输入ISP,经过一定的算法处理后生成一帧输出图像,能够同时还原亮部和暗部信息。算法对图像进行融合的过程称为frame stitching,或者称为WDR fusion,意思是将多个图像融合拼合为一体。

两帧融合是最常见的方案,也有一些sensor支持三帧甚至四帧融合成一帧。下图是三帧融合的例子,右侧是合成的WDR图像。


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多帧融合WDR技术由于参与融合的像素并非同时曝光所以会存在运动伪影问题,如下图所示,由于小孩快速移动位置造成了虚影。



以及下图(右)中的风扇叶片,在多帧合成时会出现错误。


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