HDR imaging(3)----split/sub pixel 技术

我们在上一期讲了时域多帧HDR技术--Digital Overlap. 现在在监控领域的WDR sensor主要采用这种技术，如下图，利用不同的sensor曝光（蓝色线所示）覆盖不同的动态范围，再把多曝光图像stitching起来（红色线所示），达到最大的动态范围输出。Sony的imx290，OV的ov4689都是这个类型典型sensor。

车载领域也广泛使用Temporal domain HDR技术，但是随着车载相机在ADAS与自动驾驶领域的迅速发展，对图像质量有着特别的需求，导致Temporal domain HDR技术不能满足需要。车载比较典型的两个IQ需求是不能有motion artefact 和 LED flickering。

motion artefact

LED flickering

Temporal HDR 在原理上就存在这些缺陷，所以要解决这个问题就需要使用其他的HDR体制：Spatial HDR技术是现在车载领域的主流解决方案。

比较典型的是Sony sensor（imx390/490）采用的Subpixel技术与OV sensor（ovx1a)采用的split pixel技术，他们都属于SpatialHDR技术范畴，其基本原理是一致的。

1.大小pixel的分离结构

与普通CFA的不同，大小pixel技术的sensor在相邻位置有一大一小两个pixel，他们空间上非常接近，可以认为对空间采样相同。

由于pixel的大小不同，物理上的sensitivity不同，FWC也不同，会产生与时域HDR一样的不同曝光效果，形成了对不同动态范围的覆盖。如下图可以看到LPD（Large Pixel Diode）与SPD（Small Pixel Diode）是如何扩展动态范围的。

2.大小分离pixel的电路设计

典型的大小分离pixel的电路如下图所示

SPD和LPD分别用黄色的二极管标出。CGC（conversion gain control）与TG（transfer gate）控制了photo diode 向FD充电，当TGs使能时，FD接收SPD来的电荷，RS会使能让FD的电荷转存出来。然后当TGL使能时，FD接收LPD来的电荷，RS会再一次使能让FD的电荷转存出来。RST负责在每一次转存后把FD电容清空。这样的电路结构就实现了LPD和SPD的分别读出。这个部分的电路时钟非常快，所以可以认为大小像素是同时曝光的。后面的读出电路也会把大小像素同时读出，由下图可见，T_lpd与T_spd是同时的。

3.大小像素HDR与时域HDR在motion artefact上的比较

由下图可以看出基于大小像素的HDR与时域HDR在拍摄运动物体上的motion artefact比较。

左图是基于大小像素的图像，完全没有motion artefact，右图是时域HDR，可以看到明显的motion artefact。

对于这种更挑战的场景，舞厅的旋转光球，左图是大小像素HDR，右图是时域HDR，可以看到时域HDR的图像把小的运动光点都混到了一起。

4.大小像素与Dual conversion gain的结合

单独靠大小像素只能形成两个曝光的图像，再结合之前介绍过的DCG技术，在大小pixel分别配合HCG，LCG，就可以形成4曝光。

假设单曝光输出12bit，曝光比是16，那总共的动态范围可以达到24bit输出。

5.两种场景的切换

如下图，横轴是场景的光亮度，纵轴是SNR，红色曲线是LPD像素的SNR曲线，蓝色曲线是LPD像素的SNR曲线。

SPD的饱和点更高，而LPD的低光SNR更高。这两条曲线说明了大小像素这种设计可以很灵活的适配场景的变化，当场景非常亮的情况，就用大小像素融合输出，这样可以扩大动态范围。

当场景非常暗的情况，就完全切换到LPD像素，因为它的SNR更高。

前段时间有读者在大话成像QQ交流群里讨论他们在使用大小像素sensor时出现的一些问题，并且把出现问题的图像上传到了大话成像论坛，感兴趣的朋友可以去论坛进一步阅读。

论坛地址是 www.dahuachengxiang.com

转载：全栈芯片工程师