【導讀】如果說圖像傳感器是智能駕駛汽車的“眼睛”
，那圖像傳感器動態範圍作為汽車成像中的一個關鍵指標，就代表了這隻“眼睛”能看到的細節、層次與特征多少，對行駛過程中的環境路況判斷有很大影響。

什麼是動態範圍

？維基百科定義
，動態範圍（Dynamic Range）是可變化信號（例如聲音或光）最大值和最小值的比值。

實際上，動態範圍是一個通用的概念，不同的信號或者變量S都dou可ke以yi定ding義yi自zi己ji的de動dong態tai範fan圍wei，不bu僅jin圖tu像xiang傳chuan感gan器qi有you動dong態tai範fan圍wei，顯xian示shi器qi，投tou影ying機ji，打da印yin機ji等deng等deng都dou有you自zi己ji的de動dong態tai範fan圍wei，甚shen至zhi我wo們men可ke以yi定ding義yi一yi個ge人ren的de動dong態tai範fan圍wei，如ru果guo這zhe個ge人ren條tiao件jian艱jian苦ku時shi能neng吃chi苦ku

，條tiao件jian優you渥wo時shi會hui享xiang受shou，既ji能neng將jiang就jiu也ye會hui講jiang究jiu，這zhe就jiu是shi個ge高gao動dong態tai範fan圍wei的de狠hen人ren。

針對一幀圖像而言，S的最小值為1，最大值受限於數據帶寬
，即數據能夠存儲的最大值。一張8位的灰度圖
，最大值255，此時理論上的動態範圍就是48dB
，10位圖像動態範圍可到60dB
，20位圖像動態範圍120dB。

場景的動態範圍和圖像的動態範圍，大多數情況是不一致的。場景的信號S不是圖像的灰度值，它是場景發射光線的亮度。可以理解為S最大值是場景中最亮部分的亮度，S的de最zui小xiao值zhi是shi場chang景jing中zhong最zui黑hei部bu分fen的de亮liang度du。它ta與yu圖tu像xiang動dong態tai範fan圍wei相xiang關guan但dan不bu相xiang等deng。同tong時shi圖tu像xiang的de後hou處chu理li通tong常chang會hui把ba線xian性xing數shu據ju壓ya縮suo為wei非fei線xian性xing輸shu出chu

，這zhe也ye會hui放fang大da圖tu像xiang數shu值zhi和he場chang景jing動dong態tai範fan圍wei的de差cha異yi。

圖1：寬動態典型場景

如果把場景的亮度作為橫坐標，圖像傳感器輸出的數據作為縱坐標，我們就得到圖2所示的傳感器輸出和場景的動態範圍映射關係。圖像傳感器把一定亮度範圍的場景采集並映射為自己的輸出，如圖中紅框所示。

圖2：場景到傳感器的動態範圍映射

圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)際(ji)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)通(tong)常(chang)比(bi)場(chang)景(jing)的(de)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)低(di)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)能(neng)力(li)隻(zhi)能(neng)采(cai)集(ji)紅(hong)框(kuang)對(dui)應(ying)橫(heng)坐(zuo)標(biao)內(nei)場(chang)景(jing)的(de)亮(liang)度(du)範(fan)圍(wei)。紅(hong)框(kuang)的(de)位(wei)置(zhi)需(xu)要(yao)動(dong)態(tai)調(tiao)整(zheng)移(yi)動(dong)，以(yi)適(shi)應(ying)場(chang)景(jing)亮(liang)度(du)的(de)變(bian)化(hua)
，這(zhe)是(shi)成(cheng)像(xiang)算(suan)法(fa)中(zhong)自(zi)動(dong)曝(pu)光(guang)(auto exposure)模塊的任務。

duiqichegaodongtaifanweidechangjing，huiyoutongyichangjingzhongjilianghejianbufentongshichuxiandeqingkuang，liruyejianjiedao，jiyouchedadengyeyoujiedaodeanjiao，cishiyidonghongkuangyijingwufatongshikanqingchulianggebufen
，bixubahongkuangzuoda，zhejiushiqicheshangyongdaodegaodongtaifanweituxiangchuanganqi。

從cong原yuan理li上shang講jiang，紅hong框kuang尺chi寸cun受shou限xian於yu傳chuan感gan器qi的de像xiang素su勢shi阱jing容rong量liang，受shou限xian於yu尺chi寸cun，很hen難nan簡jian單dan做zuo大da，車che用yong圖tu像xiang傳chuan感gan器qi的de高gao動dong態tai範fan圍wei技ji術shu是shi行xing業ye麵mian臨lin的de共gong同tong挑tiao戰zhan。過guo去qu二er十shi年nian來lai，車che載zai圖tu像xiang傳chuan感gan器qi的de高gao動dong態tai範fan圍wei大da致zhi有you如ru下xia四si大da技ji術shu流liu派pai。

01 動態改變像素的靈敏度擴充動態範圍

第一個是動態改變像素的靈敏度擴充動態範圍。如圖3suoshi
，tuxiangchuanganqiduichangjingliangdudeyingshebianchengfeixianxing，suizhehuanjingliangduzengjia，xiangsulingminduzhujianxiajiang
，lingminducongliangdudexianxinghanshubianchengfenduanhanshu。ruxiatusuoshi，dianhejileifenchengsanduan，liangdudishilingmindugao，duiyingheisedianhe，ranhouliangduzhongdenglingminduyezhongdeng，duiyinglansedianhe，zuihouliangduzuigaolingminduzuidi。congzuobiaotuzhongkeyikandao，cishixiangsudeshijingrongliangjizongzuobiaobuzengjia，danyingshedechangjingliangdufanweijihengzuobiaokeyimingxianjiada，shixianlezengdadongtaifanweidemubiao。

安森美(onsemi)的車用圖像傳感器產品線早期推出過30wanxiangsudekebianlingminduchuanganqi，jiushijiyucileijishu，zhegejishudezuidatiaozhanzaiyutagaibianlexiangsudelingmindutexing，rangxianxingtexingdelingmindubianchengfeixianxing，erzhegezhexiandexingzhuangduidianya
、溫(wen)度(du)和(he)曝(pu)光(guang)時(shi)長(chang)敏(min)感(gan)
，一(yi)致(zhi)性(xing)差(cha)，動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)擴(kuo)展(zhan)能(neng)力(li)有(you)限(xian)，隻(zhi)能(neng)勉(mian)強(qiang)用(yong)於(yu)大(da)尺(chi)寸(cun)像(xiang)素(su)黑(hei)白(bai)圖(tu)像(xiang)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。目(mu)前(qian)這(zhe)類(lei)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)逐(zhu)漸(jian)被(bei)市(shi)場(chang)淘(tao)汰(tai)。

圖3：非線性化擴充動態範圍

02 時分多次曝光

第(di)二(er)個(ge)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)技(ji)術(shu)是(shi)時(shi)分(fen)多(duo)次(ci)曝(pu)光(guang)
，這(zhe)個(ge)是(shi)目(mu)前(qian)主(zhu)流(liu)車(che)用(yong)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)技(ji)術(shu)。做(zuo)法(fa)就(jiu)是(shi)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)改(gai)變(bian)曝(pu)光(guang)時(shi)間(jian)連(lian)續(xu)多(duo)次(ci)曝(pu)光(guang)得(de)到(dao)多(duo)幀(zhen)圖(tu)像(xiang)
，然(ran)後(hou)從(cong)中(zhong)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)像(xiang)素(su)合(he)並(bing)成(cheng)一(yi)幀(zhen)圖(tu)像(xiang)。如(ru)圖(tu)4shiyi
，chuanganqigaibianpuguangshijian


，xiangdangyuzidaizidongpuguanggongneng，duichangjingbutongliangdufenbiecaiyang，dedaoduogehongkuang
，ranhoubadongtaifanweipinjieqilai。zhegejishudeyoudianzaiyu：像素勢阱容量不用額外做大
，隻需把數據帶寬做大
；每個曝光的時長控製可以很精確
，最終擬合的圖像亮度線性特性好；動態範圍擴展容易
，僅用時分技術就能做到140dB的動態範圍。

時分多次曝光技術有一個難以克服的問題，由於傳感器的連續曝光時間上是依次滯後的
，當場景中有快速移動物體或光照劇烈變化例如LED頻閃情況下，多幀圖像擬合後會出現運動物體偽影和色彩噪聲。ADAS算法需要針對性地訓練這類噪聲。

圖4：多幀合並擴充動態範圍

03 空分多次曝光

空分多次曝光
，業內也有稱之為大小像素技術。本質來說與時分多次曝光類似，由多幀融合，區別在於圖4中zhong的de多duo個ge紅hong框kuang來lai源yuan於yu空kong間jian尺chi寸cun上shang不bu同tong的de兩liang種zhong像xiang素su，兩liang種zhong像xiang素su的de圖tu像xiang擬ni合he成cheng為wei一yi張zhang圖tu像xiang。由you於yu兩liang種zhong像xiang素su在zai曝pu光guang時shi間jian上shang是shi對dui齊qi的de，可ke以yi避bi免mian了le運yun動dong重zhong影ying的de問wen題ti，同tong時shi改gai善shanLED燈頻閃現象。

不過有得就有失：空分曝光，意味著像素數量翻倍

， 例如1百萬像素傳感器實際上是1百萬大像素加1百萬小像素
，增加了功耗和設計複雜度；小像素擠占了大像素的麵積
，降低了大像素的低照性能；大da小xiao像xiang素su的de靈ling敏min度du差cha異yi大da，線xian性xing特te性xing差cha
，小xiao像xiang素su在zai光guang學xue上shang無wu法fa和he大da像xiang素su兼jian容rong，需xu要yao大da量liang的de光guang學xue標biao定ding工gong作zuo以yi補bu償chang小xiao像xiang素su的de問wen題ti。這zhe些xie都dou是shi用yong戶hu在zai產chan品pin應ying用yong開kai發fa中zhong需xu要yao解jie決jue的de工gong程cheng挑tiao戰zhan，此ci外wai
，大da小xiao像xiang素su圖tu像xiang傳chuan感gan器qi受shou小xiao像xiang素su尺chi寸cun限xian製zhi，隨sui著zhe技ji術shu演yan進jin會hui逐zhu漸jian變bian成cheng瓶ping頸jing，所suo以yi安an森sen美mei在zai2009年就發明並申請了大小像素技術的專利
，但並沒有推出相應的傳感器產品。

04 直接擴展像素的勢阱容量

第di四si個ge高gao動dong態tai範fan圍wei技ji術shu就jiu是shi直zhi接jie擴kuo展zhan像xiang素su的de勢shi阱jing容rong量liang。傳chuan統tong圖tu像xiang傳chuan感gan器qi像xiang素su的de感gan光guang二er極ji管guan在zai感gan光guang的de同tong時shi兼jian具ju電dian荷he存cun儲chu的de功gong能neng，因yin此ci像xiang素su的de電dian荷he勢shi阱jing容rong量liang受shou限xian於yu感gan光guang二er極ji管guan尺chi寸cun。隨sui著zhe像xiang素su尺chi寸cun越yue來lai越yue小xiao，像xiang素su的de容rong量liang也ye逐zhu漸jian變bian小xiao。安an森sen美mei的de超chao級ji曝pu光guang像xiang素su技ji術shu突tu破po了le這zhe一yi限xian製zhi，並bing在zai業ye內nei率lv先xian量liang產chan了le基ji於yu這zhe一yi技ji術shu的de產chan品pin。技ji術shu路lu徑jing就jiu是shi為wei感gan光guang二er極ji管guan外wai掛gua了le存cun儲chu電dian容rong，當dang容rong量liang飽bao和he時shi，多duo餘yu的de電dian荷he會hui被bei轉zhuan移yi到dao電dian容rong中zhong存cun儲chu起qi來lai。這zhe裏li的de電dian容rong不bu參can與yu光guang學xue感gan光guang

，但dan擴kuo充chong了le像xiang素su的de勢shi阱jing容rong量liang。如ru圖tu5示意

，上麵的小桶相當於感光二極管，下麵的大桶相當於存儲電容。大桶不直接接水，隻存儲小桶溢出的水。

圖5：感知和存儲分離

超(chao)級(ji)曝(pu)光(guang)像(xiang)素(su)把(ba)電(dian)荷(he)存(cun)儲(chu)功(gong)能(neng)從(cong)感(gan)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)剝(bo)離(li)出(chu)來(lai)，跳(tiao)出(chu)了(le)固(gu)有(you)限(xian)製(zhi)，實(shi)現(xian)了(le)像(xiang)素(su)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)和(he)感(gan)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)的(de)解(jie)耦(ou)。這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)線(xian)性(xing)特(te)性(xing)，保(bao)留(liu)了(le)單(dan)一(yi)像(xiang)素(su)架(jia)構(gou)
，無(wu)需(xu)複(fu)雜(za)的(de)光(guang)學(xue)標(biao)定(ding)，並(bing)解(jie)決(jue)了(le)時(shi)分(fen)導(dao)致(zhi)的(de)偽(wei)影(ying)和(he)LED頻閃的問題。與感光二極管的解耦
，看似簡單的一步，卻打開了未來更小像素
，更大動態範圍產品的設計想象空間。

為了支持足夠高的動態範圍
，業內產品通常會複用上述三種技術。一張高動態範圍的圖像，可能是時分多次曝光幀、大(da)小(xiao)像(xiang)素(su)幀(zhen)和(he)超(chao)級(ji)曝(pu)光(guang)幀(zhen)的(de)複(fu)合(he)擬(ni)合(he)結(jie)果(guo)。這(zhe)有(you)點(dian)像(xiang)汽(qi)車(che)動(dong)力(li)中(zhong)的(de)插(cha)混(hun)方(fang)案(an)，動(dong)力(li)可(ke)能(neng)來(lai)自(zi)自(zi)排(pai)發(fa)動(dong)機(ji)
，渦(wo)輪(lun)增(zeng)壓(ya)
，以(yi)及(ji)電(dian)機(ji)直(zhi)驅(qu)的(de)並(bing)聯(lian)。這(zhe)裏(li)多(duo)幀(zhen)擬(ni)合(he)的(de)線(xian)性(xing)特(te)性(xing)很(hen)像(xiang)汽(qi)車(che)駕(jia)駛(shi)動(dong)力(li)變(bian)化(hua)的(de)線(xian)性(xing)特(te)性(xing)，保(bao)證(zheng)輸(shu)出(chu)的(de)平(ping)順(shun)與(yu)線(xian)性(xing)是(shi)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)圖(tu)像(xiang)的(de)巨(ju)大(da)挑(tiao)戰(zhan)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，技(ji)術(shu)種(zhong)類(lei)越(yue)少(shao)，線(xian)性(xing)特(te)性(xing)越(yue)好(hao)。

小結一下，CMOS圖tu像xiang傳chuan感gan器qi的de動dong態tai範fan圍wei是shi汽qi車che應ying用yong中zhong重zhong要yao的de參can數shu指zhi標biao，它ta是shi目mu前qian業ye內nei共gong同tong麵mian臨lin的de技ji術shu挑tiao戰zhan，本ben文wen介jie紹shao了le幾ji種zhong傳chuan統tong動dong態tai範fan圍wei擴kuo展zhan技ji術shu的de特te點dian
，以yi及ji新xin出chu現xian的de超chao級ji曝pu光guang像xiang素su技ji術shu，它ta的de出chu現xian打da破po了le既ji有you技ji術shu的de窠ke臼jiu，我wo們men預yu期qi會hui在zai市shi麵mian上shang看kan到dao更geng多duo相xiang關guan的de優you秀xiu產chan品pin湧yong現xian。

本文作者：安森美中國區

汽車現場應用工程經理 William Chen

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