HDR imaging (4)----PWL Compression

david 2022-01-19 09:00:15 19514

这是HDR imaging系列的第四篇,之前的三篇文章分别讲了三种 sensor 生成HDR RAW图像的常用技术:DOL、DCG、SubPixel,涵盖了时域与空域合成高动态RAW图像的方法。

对于航天、普通消费类、监控与车载等不同的应用,HDR imaging对信号形式存在着不同的需求。

以一个14bit动态范围的场景为例,太空照相需要保证图像信号以线性形式由相机系统生成,图像信号从0到214-1(16383),能够线性地对应入射光照,如下图。

对于某些应用,不需要信号与光照的线性对应关系,比如普通的计算机显示器,只有8--10bit的动态范围,它们是不可能线性的展现14bit的图像的。分段线性压缩(Piecewise Linear Compression)这种方法用来实现把高动态范围(High bitdepth)的图像压缩到低动态范围(Low Bitdepth)进行显示。

还是以这个14bit的场景为例,大部分的图像成分的亮度分布在0-255(低8bit)范围内。太阳或者其他强光光源以及高反射率物体的亮度分布在8-14bit之间,他们在图像像素数量上的占比是比较小的。每个红色的圆圈表示图像的主要像素成分在亮度上的分布。

为了把14bit的图像显示在10bit的显示器上,PWL压缩的方法把0----214-1(16383)的像素值分成若干段,每一段线性地把直线折弯,如下图所示:

横轴是原始14bit图像,被PWL压缩后图像由蓝色虚线(14bit)变换到10bit(0-1023)。

每个偏折的节点(knee)的选取(下图垂直黑色虚线),是要尽量保证该分段内主要图像内容依然保持线性,否则图像的对比度在某个亮度上会看起来比较奇怪,比如在Knee point的位置会出现明显的banding。

把PWL压缩的折线放大来看如下图所示:

在监控和车载应用,为了减小图像信号从sensor到ISP传输的带宽,也用PWL compression的方法把HDR图像压缩到低动态范围。

与PWL压缩的在显示方面的应用的这个实例不同的是, 在车载和监控领域,一方面sensor HDR合成后输出图像的动态范围更高:有16bit---24bit,经常压缩到低bit:比如12bit输出。另一方面,在ISP接收到图像后,根据sensor端的PWL压缩曲线进行解压缩(decompanding或者叫decompression)到ISP的相应bit depth。如下图是sensor端的PWL压缩curve,图像从24bit压缩到12bit。

压缩公式为:gain=(output(n)-output(n-1))/(input(n)-input(n-1))

下图是12--24bit解压缩曲线,其节点(knee point)与压缩曲线 一 一对应。

ISP端要根据sensor的PWL 压缩曲线,并且根据ISP端的解压缩硬件的设计及目标位宽,配置出相应的解压缩(decompanding)曲线。

转载:全栈芯片工程师

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