HDR傳感器的設(shè)計(jì)工程師是一群特別的“藝術(shù)畫家”。他們以實(shí)驗(yàn)室為畫室，以相機(jī)鏡頭為畫布，而用芯片調(diào)配出最豐富的色彩。

當(dāng)我們拍攝一幅明暗懸殊的畫面時(shí)，鏡頭捕捉的圖像往往會(huì)與親眼所見的景象相差甚遠(yuǎn)。而這些“藝術(shù)畫家”的作品——HDR技術(shù)則能夠幫我們留住更加真實(shí)的畫面。

也許你早就使用過相機(jī)的HDR功能了，但你對(duì)它真的了解嗎？

HDR到底是什么？為什么他能讓畫面更加真實(shí)？下面就讓我們一起來揭開光影的秘密吧！

什么是HDR

HDR（High Dynamic Range）代表高動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大，圖像能清晰呈現(xiàn)的明暗差別也就越大。與傳統(tǒng)的SDR（標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍）相比，HDR圖像能夠以更高質(zhì)量同時(shí)顯示畫面的亮部和暗部。

HDR的實(shí)現(xiàn)有賴于顯示器和傳感器的雙重進(jìn)步。

顯示技術(shù)的發(fā)展讓我們能夠在電視、電腦和手機(jī)上看到接近現(xiàn)實(shí)世界的亮度和色彩，而圖像傳感器的不斷革新使HDR圖像可以被我們用相機(jī)實(shí)時(shí)記錄，并且畫面質(zhì)量逐漸得到提升。

接下來請(qǐng)隨我們一起追溯HDR傳感器的發(fā)展歷史。

HDR傳感器的發(fā)展

2000s—LOFIC

我們拍攝的照片來自傳感器上的像素，它們將光處理為電信號(hào)，組合起來輸出畫面。當(dāng)捕捉對(duì)象亮度過強(qiáng)，大量電荷擠在單個(gè)像素內(nèi)，生成的圖像就會(huì)過曝。

LOFIC（Lateral Overflow Integration Capacitor，橫向溢出集合電容）的結(jié)構(gòu)就像鴛鴦鍋，當(dāng)電荷超過像素原本能承載的最大限度（最大阱容），多余的電荷就會(huì)流到相鄰的“鍋”里，而不至于溢出來。這樣，高亮畫面就能清晰顯示了。

然而，LOFIC結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以適應(yīng)電子設(shè)備日益輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)。因此，LOFIC如今在相機(jī)和手機(jī)中已經(jīng)難覓蹤影。

2003——Large/small pixels

2003年，富士（Fujitsu）公司推出了具備Large/small pixels（大小像素）分離結(jié)構(gòu)的“Super CCD SR”，巧妙借助像素性質(zhì)的差異實(shí)現(xiàn)HDR。1傳感器每“格”中的一大一小兩個(gè)像素同時(shí)進(jìn)行拍攝，獲取高曝光和低曝光兩幅畫面。合成后，就形成了覆蓋不同動(dòng)態(tài)范圍的HDR圖像。不過，由于畫面易形成瑕疵，這項(xiàng)技術(shù)并沒有被大范圍采用。

2010s——Multi-frame HDR

HDR技術(shù)最常見的運(yùn)作方式是拍攝（捕獲）具有不同曝光的多個(gè)畫面，并合成出完美的HDR圖像。其中，最原始的是Multi-frame HDR（多幀異曝光HDR）。由于曝光時(shí)間不同，它所用的原理是相機(jī)連續(xù)拍攝多張不同曝光的照片，并疊加這幾張照片，從每張照片中提取最好的部分進(jìn)行合成。

然而當(dāng)拍攝物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或拍攝時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)則會(huì)造成“運(yùn)動(dòng)偽影”，例如上圖中八條腿的馬。

2014——iHDR

iHDR（Interlaced HDR，行交織HDR）的誕生是為了解決運(yùn)動(dòng)偽影的問題（例如上圖中在運(yùn)動(dòng)的馬，合成后會(huì)出現(xiàn)多條腿的問題）。它將傳感器劃分為行，并以兩行間隔設(shè)置長(zhǎng)曝光和短曝光。當(dāng)按下快門時(shí)，長(zhǎng)曝光和短曝光同時(shí)開始。這種技術(shù)可以一次拍攝長(zhǎng)曝光和短曝光圖像，并最終獲得一張HDR圖像。不過，行交織的原理使iHDR損失了一半的分辨率，圖片也時(shí)常不夠自然。由于種種缺點(diǎn)，導(dǎo)致iHDR未能批量生產(chǎn)。

2014——ZigZag HDR

緊接著，索尼提出了像素排列的另一種可能——Zigzag HDR（Z字形HDR）。2這是iHDR的升級(jí)版本。傳感器上同時(shí)存在長(zhǎng)曝光和短曝光設(shè)置，以“ Z”字交叉分布。與iHDR相比，分辨率損失得到了有效降低，并且畫面也更自然，還能應(yīng)用于視頻拍攝。

2014——HDR

同年（2014年），谷歌推出了HDR 技術(shù)。3傳感器至少8次連續(xù)拍攝同樣曝光的畫面，將其疊加分辨出暗部中的細(xì)節(jié)與噪點(diǎn)，從而利用算法實(shí)現(xiàn)寬廣的動(dòng)態(tài)范圍。谷歌相機(jī)的“突發(fā)模式”能夠在按下快門前即自動(dòng)開始預(yù)拍，以實(shí)現(xiàn)HDR效果的快速抓拍。這與當(dāng)初的multi-frame HDR已不可同日而語。

20174 ——QHDR

QHDR（Quad HDR，四像素HDR）與Zigzag HDR相比，不僅在行對(duì)齊方面有所不同，而且在傳感器中像素的排列方式上也有所不同。在QHDR中，每個(gè)2×2的四像素區(qū)域成為一個(gè)單元，以不同曝光設(shè)置共同工作。這項(xiàng)技術(shù)速度快、效果好，非常適合應(yīng)用在視頻拍攝中。

2018——Staggered HDR

在Staggered HDR（單幀逐行HDR）功能中，快門以滾動(dòng)逐行讀取信息的特性，由上到下滾動(dòng)輸出長(zhǎng)、短曝光的數(shù)據(jù)。在長(zhǎng)曝光行數(shù)據(jù)輸出的過程中，短曝光行圖像也同時(shí)生成。這使得兩行圖像之間能夠緊密銜接，從而解決了iHDR圖像不自然的問題，也有效減少了運(yùn)動(dòng)偽影。

SK海力士的CIS圖像傳感器

如今的相機(jī)技術(shù)已經(jīng)朝著模仿人體視覺系統(tǒng)的方向飛速發(fā)展，力求使數(shù)碼相機(jī)鏡頭捕捉的圖像更加接近消費(fèi)者的所見所感。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，通過縮小像素面積來提高分辨率，從而捕獲清晰圖像，一直以來都是重要的發(fā)展方向。此外，為了更好地表現(xiàn)每個(gè)像素的顏色，HDR技術(shù)的重要性如今也不斷被強(qiáng)調(diào)。

SK海力士目前已經(jīng)完成了QHDR和staggered HDR技術(shù)的開發(fā)，并且現(xiàn)已準(zhǔn)備就緒，可向客戶提供。特別是應(yīng)用于高分辨率產(chǎn)品的QHDR技術(shù)，可以通過內(nèi)置傳感器的ISP來處理圖像。通過這種方式，即使面對(duì)動(dòng)態(tài)的拍攝對(duì)象，傳感器也可以實(shí)時(shí)處理圖像，并提供清晰的高分辨率圖像。

將來，用于表達(dá)精確顏色和豐富光線的HDR技術(shù)的發(fā)展將成為相機(jī)技術(shù)的支柱之一。而隨著人工智能在CIS傳感器中的應(yīng)用，HDR技術(shù)有望得到進(jìn)一步發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來，有望開發(fā)出使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)人類視覺感知特征進(jìn)行建模的HDR技術(shù)，以去除低亮度噪點(diǎn)并恢復(fù)飽和區(qū)域中丟失的信息。

展望未來，HDR技術(shù)會(huì)越來越先進(jìn)，呈現(xiàn)的圖片也將更加貼近人眼所見的景象。

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