【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

tuxiangchuanganqishijidongtaifanweitongchangbichangjingdedongtaifanweidi
，chuanganqidenenglizhinengcaijihongkuangduiyinghengzuobiaoneichangjingdeliangdufanwei。hongkuangdeweizhixuyaodongtaitiaozhengyidong，yishiyingchangjingliangdudebianhua，zheshichengxiangsuanfazhongzidongpuguang(auto exposure)模塊的任務。

對(dui)汽(qi)車(che)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)的(de)場(chang)景(jing)，會(hui)有(you)同(tong)一(yi)場(chang)景(jing)中(zhong)極(ji)亮(liang)和(he)極(ji)暗(an)部(bu)分(fen)同(tong)時(shi)出(chu)現(xian)的(de)情(qing)況(kuang)，例(li)如(ru)夜(ye)間(jian)街(jie)道(dao)，既(ji)有(you)車(che)大(da)燈(deng)也(ye)有(you)街(jie)道(dao)的(de)暗(an)角(jiao)，此(ci)時(shi)移(yi)動(dong)紅(hong)框(kuang)已(yi)經(jing)無(wu)法(fa)同(tong)時(shi)看(kan)清(qing)楚(chu)兩(liang)個(ge)部(bu)分(fen)，必(bi)須(xu)把(ba)紅(hong)框(kuang)做(zuo)大(da)
，這(zhe)就(jiu)是(shi)汽(qi)車(che)上(shang)用(yong)到(dao)的(de)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)。

congyuanlishangjiang，hongkuangchicunshouxianyuchuanganqidexiangsushijingrongliang，shouxianyuchicun，hennanjiandanzuoda，cheyongtuxiangchuanganqidegaodongtaifanweijishushixingyemianlindegongtongtiaozhan。guoquershinianlai，chezaituxiangchuanganqidegaodongtaifanweidazhiyouruxiasidajishuliupai。

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3所(suo)示(shi)，圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)場(chang)景(jing)亮(liang)度(du)的(de)映(ying)射(she)變(bian)成(cheng)非(fei)線(xian)性(xing)，隨(sui)著(zhe)環(huan)境(jing)亮(liang)度(du)增(zeng)加(jia)，像(xiang)素(su)靈(ling)敏(min)度(du)逐(zhu)漸(jian)下(xia)降(jiang)，靈(ling)敏(min)度(du)從(cong)亮(liang)度(du)的(de)線(xian)性(xing)函(han)數(shu)變(bian)成(cheng)分(fen)段(duan)函(han)數(shu)。如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)，電(dian)荷(he)積(ji)累(lei)分(fen)成(cheng)三(san)段(duan)，亮(liang)度(du)低(di)時(shi)靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)


，對(dui)應(ying)黑(hei)色(se)電(dian)荷(he)
，然(ran)後(hou)亮(liang)度(du)中(zhong)等(deng)靈(ling)敏(min)度(du)也(ye)中(zhong)等(deng)
，對(dui)應(ying)藍(lan)色(se)電(dian)荷(he)，最(zui)後(hou)亮(liang)度(du)最(zui)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)最(zui)低(di)。從(cong)坐(zuo)標(biao)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，此(ci)時(shi)像(xiang)素(su)的(de)勢(shi)阱(jing)容(rong)量(liang)即(ji)縱(zong)坐(zuo)標(biao)不(bu)增(zeng)加(jia)，但(dan)映(ying)射(she)的(de)場(chang)景(jing)亮(liang)度(du)範(fan)圍(wei)即(ji)橫(heng)坐(zuo)標(biao)可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)加(jia)大(da)，實(shi)現(xian)了(le)增(zeng)大(da)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)的(de)目(mu)標(biao)。

安森美(onsemi)的車用圖像傳感器產品線早期推出過30萬(wan)像(xiang)素(su)的(de)可(ke)變(bian)靈(ling)敏(min)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，就(jiu)是(shi)基(ji)於(yu)此(ci)類(lei)技(ji)術(shu)，這(zhe)個(ge)技(ji)術(shu)的(de)最(zui)大(da)挑(tiao)戰(zhan)在(zai)於(yu)它(ta)改(gai)變(bian)了(le)像(xiang)素(su)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)特(te)性(xing)，讓(rang)線(xian)性(xing)特(te)性(xing)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)變(bian)成(cheng)非(fei)線(xian)性(xing)，而(er)這(zhe)個(ge)折(zhe)線(xian)的(de)形(xing)狀(zhuang)對(dui)電(dian)壓(ya)、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tu4shiyi
，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(shan)LED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；daxiaoxiangsudelingminduchayida，xianxingtexingcha，xiaoxiangsuzaiguangxueshangwufahedaxiangsujianrong
，xuyaodaliangdeguangxuebiaodinggongzuoyibuchangxiaoxiangsudewenti。zhexiedoushiyonghuzaichanpinyingyongkaifazhongxuyaojiejuedegongchengtiaozhan，ciwai，daxiaoxiangsutuxiangchuanganqishouxiaoxiangsuchicunxianzhi
，suizhejishuyanjinhuizhujianbianchengpingjing，suoyiansenmeizai2009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

chaojipuguangxiangsubadianhecunchugongnengcongganguangerjiguanbolichulai，tiaochuleguyouxianzhi
，shixianlexiangsudongtaifanweiheganguangerjiguandejieou。zheyijishujuyoulianghaodexianxingtexing，baoliuledanyixiangsujiagou，wuxufuzadeguangxuebiaoding
，bingjiejueleshifendaozhideweiyingheLED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
、daxiaoxiangsuzhenhechaojipuguangzhendefuhenihejieguo。zheyoudianxiangqichedonglizhongdechahunfangan，donglikenenglaizizipaifadongji，wolunzengya，yijidianjizhiqudebinglian。zheliduozhennihedexianxingtexinghenxiangqichejiashidonglibianhuadexianxingtexing，baozhengshuchudepingshunyuxianxingshigaodongtaifanweituxiangdejudatiaozhan。yibanlaishuo，jishuzhongleiyueshao，xianxingtexingyuehao。

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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