CMOS图像传感器--HDR模式

HDR传感器的设计工程师是一群特别的“艺术画家”。他们以实验室为画室，以相机镜头为画布，而用芯片调配出最丰富的色彩。

当我们拍摄一幅明暗悬殊的画面时，镜头捕捉的图像往往会与亲眼所见的景象相差甚远。而这些“艺术画家”的作品——HDR技术则能够帮我们留住更加真实的画面。

也许你早就使用过相机的HDR功能了，但你对它真的了解吗？

HDR到底是什么？为什么他能让画面更加真实？下面就让我们一起来揭开光影的秘密吧！

什么是HDR

HDR（High Dynamic Range）代表高动态范围。动态范围越大，图像能清晰呈现的明暗差别也就越大。与传统的SDR（标准动态范围）相比，HDR图像能够以更高质量同时显示画面的亮部和暗部。

HDR的实现有赖于显示器和传感器的双重进步。

显示技术的发展让我们能够在电视、电脑和手机上看到接近现实世界的亮度和色彩，而图像传感器的不断革新使HDR图像可以被我们用相机实时记录，并且画面质量逐渐得到提升。

接下来请随我们一起追溯HDR传感器的发展历史。

HDR传感器的发展

2000s—LOFIC

我们拍摄的照片来自传感器上的像素，它们将光处理为电信号，组合起来输出画面。当捕捉对象亮度过强，大量电荷挤在单个像素内，生成的图像就会过曝。

LOFIC（Lateral Overflow Integration Capacitor，横向溢出集合电容）的结构就像鸳鸯锅，当电荷超过像素原本能承载的最大限度（最大阱容），多余的电荷就会流到相邻的“锅”里，而不至于溢出来。这样，高亮画面就能清晰显示了。

然而，LOFIC结构复杂，难以适应电子设备日益轻薄化的发展趋势。因此，LOFIC如今在相机和手机中已经难觅踪影。

2003——Large/small pixels

2003年，富士（Fujitsu）公司推出了具备Large/small pixels（大小像素）分离结构的“Super CCD SR”，巧妙借助像素性质的差异实现HDR。1传感器每“格”中的一大一小两个像素同时进行拍摄，获取高曝光和低曝光两幅画面。合成后，就形成了覆盖不同动态范围的HDR图像。不过，由于画面易形成瑕疵，这项技术并没有被大范围采用。

2010s——Multi-frame HDR

HDR技术最常见的运作方式是拍摄（捕获）具有不同曝光的多个画面，并合成出完美的HDR图像。其中，最原始的是Multi-frame HDR（多帧异曝光HDR）。由于曝光时间不同，它所用的原理是相机连续拍摄多张不同曝光的照片，并叠加这几张照片，从每张照片中提取最好的部分进行合成。

然而当拍摄物体处于运动状态或拍摄时出现抖动则会造成“运动伪影”，例如上图中八条腿的马。

2014——iHDR

iHDR（Interlaced HDR，行交织HDR）的诞生是为了解决运动伪影的问题（例如上图中在运动的马，合成后会出现多条腿的问题）。它将传感器划分为行，并以两行间隔设置长曝光和短曝光。当按下快门时，长曝光和短曝光同时开始。这种技术可以一次拍摄长曝光和短曝光图像，并最终获得一张HDR图像。不过，行交织的原理使iHDR损失了一半的分辨率，图片也时常不够自然。由于种种缺点，导致iHDR未能批量生产。

2014——ZigZag HDR

紧接着，索尼提出了像素排列的另一种可能——Zigzag HDR（Z字形HDR）。2这是iHDR的升级版本。传感器上同时存在长曝光和短曝光设置，以“ Z”字交叉分布。与iHDR相比，分辨率损失得到了有效降低，并且画面也更自然，还能应用于视频拍摄。

2014——HDR+

同年（2014年），谷歌推出了HDR+技术。3传感器至少8次连续拍摄同样曝光的画面，将其叠加分辨出暗部中的细节与噪点，从而利用算法实现宽广的动态范围。谷歌相机的“突发模式”能够在按下快门前即自动开始预拍，以实现HDR效果的快速抓拍。这与当初的multi-frame HDR已不可同日而语。

20174 ——QHDR

QHDR（Quad HDR，四像素HDR）与Zigzag HDR相比，不仅在行对齐方面有所不同，而且在传感器中像素的排列方式上也有所不同。在QHDR中，每个2×2的四像素区域成为一个单元，以不同曝光设置共同工作。这项技术速度快、效果好，非常适合应用在视频拍摄中。

2018——Staggered HDR

在Staggered HDR（单帧逐行HDR）功能中，快门以滚动逐行读取信息的特性，由上到下滚动输出长、短曝光的数据。在长曝光行数据输出的过程中，短曝光行图像也同时生成。这使得两行图像之间能够紧密衔接，从而解决了iHDR图像不自然的问题，也有效减少了运动伪影。

SK海力士的CIS图像传感器

如今的相机技术已经朝着模仿人体视觉系统的方向飞速发展，力求使数码相机镜头捕捉的图像更加接近消费者的所见所感。为了实现这个目标，通过缩小像素面积来提高分辨率，从而捕获清晰图像，一直以来都是重要的发展方向。此外，为了更好地表现每个像素的颜色，HDR技术的重要性如今也不断被强调。

SK海力士目前已经完成了QHDR和staggered HDR技术的开发，并且现已准备就绪，可向客户提供。特别是应用于高分辨率产品的QHDR技术，可以通过内置传感器的ISP来处理图像。通过这种方式，即使面对动态的拍摄对象，传感器也可以实时处理图像，并提供清晰的高分辨率图像。

将来，用于表达精确颜色和丰富光线的HDR技术的发展将成为相机技术的支柱之一。而随着人工智能在CIS传感器中的应用，HDR技术有望得到进一步发展。在不远的将来，有望开发出使用神经网络对人类视觉感知特征进行建模的HDR技术，以去除低亮度噪点并恢复饱和区域中丢失的信息。

展望未来，HDR技术会越来越先进，呈现的图片也将更加贴近人眼所见的景象。

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转载：全栈芯片工程师