Динамичният диапазон, съотношението между максималния и минималния измерим интензитет на светлината, е решаващ аспект на технологията за изображения и дисплей. Напредъкът в технологията на пикселите изигра ключова роля за значително подобряване на възможностите за динамичен обхват на съвременните системи за изображения и дисплеи. Тази статия разглежда различните техники и иновации в дизайна и обработката на пикселите, които допринасят за подобрен динамичен обхват, което води до по-богати и по-реалистични визуализации.
Разбиране на динамичния обхват
Динамичният обхват се отнася до способността на системата да заснема или показва както много ярки, така и много тъмни сцени едновременно. По-широкият динамичен диапазон позволява представянето на повече детайли както в светлите, така и в сенките на изображението. Без адекватен динамичен обхват или светлите зони ще бъдат преекспонирани (избелени), или тъмните зони ще бъдат недоекспонирани (напълно черни), което води до загуба на детайли и по-малко реалистично представяне на сцената.
Помислете за снимка на залез. Камера с нисък динамичен обхват може да улови добре яркото небе, но детайлите на преден план ще се изгубят в тъмнината. Обратно, ако предният план е правилно експониран, небето може да изглежда като бяло петно без черти. Системата с висок динамичен обхват (HDR) обаче ще улови както яркото небе, така и тъмния преден план с детайли, което ще доведе до по-привлекателно и точно изображение.
Измерването на динамичния обхват често се изразява в децибели (dB) или като отношение. По-висока стойност на dB или по-голямо съотношение показва по-голяма възможност за динамичен обхват.
Пикселна архитектура и динамичен обхват
Дизайнът и архитектурата на отделните пиксели значително влияят върху цялостния динамичен диапазон на сензор за изображения или дисплей. Използват се няколко техники за максимизиране на количеството светлина, което всеки пиксел може да понесе, и минимизиране на шума, като по този начин се подобрява динамичният диапазон.
Размер на пиксела и пълен капацитет на кладенеца
Капацитетът на пълната яма (FWC) се отнася до максималния брой електрони, които един пиксел може да съхранява, преди да се насити. По-големите пиксели обикновено имат по-висок FWC, което им позволява да улавят повече светлина и по този начин увеличават динамичния обхват. Увеличаването на размера на пиксела обаче може да намали разделителната способност на изображението, така че трябва да се намери баланс.
По-малките пиксели често страдат от по-нисък FWC, което може да ограничи динамичния обхват. Иновативните дизайни, като сензори за задно осветление (BSI), смекчават този проблем чрез подобряване на ефективността на улавяне на светлината.
В крайна сметка целта е да се увеличи максимално количеството светлина, което всеки пиксел може да улови, без да се въвежда прекомерен шум или да се жертва разделителната способност.
Техники за прехвърляне на заряд и отчитане
Начинът, по който зарядът се прехвърля от пиксела към схемата за четене, също влияе върху динамичния обхват. Ефективното прехвърляне на заряд минимизира загубата на заряд и намалява шума, като и двете допринасят за по-висок динамичен диапазон.
Корелираната двойна дискретизация (CDS) е обичайна техника, използвана за намаляване на шума при нулиране в CMOS сензорите за изображения. Чрез измерване на напрежението на пикселите преди и след експониране, CDS ефективно премахва шума при нулиране, което води до по-чист сигнал и подобрен динамичен диапазон.
Други усъвършенствани техники за отчитане, като многократно вземане на проби и осредняване, могат допълнително да намалят шума и да подобрят динамичния обхват.
Пиксели с висока конверсия
Пикселите с висока конверсия (HCG) преобразуват малък брой електрони в сигнал с по-голямо напрежение. Това увеличава чувствителността на пиксела, което му позволява да улови повече детайли при условия на слаба светлина. Въпреки че HCG пикселите могат да подобрят динамичния обхват в долния край, те могат да се насищат по-лесно при ярка светлина.
Техниките за двойно усилване на преобразуването, при които пикселът може да превключва между ниско усилване на преобразуването (LCG) за ярки сцени и HCG за тъмни сцени, предлагат по-широк динамичен диапазон чрез оптимизиране на производителността при различни условия на осветеност.
Този адаптивен подход позволява както светлите, така и тъмните области да бъдат заснети с детайли, което води до по-реалистично и балансирано изображение.
Техники за подобряване на динамичния обхват
Освен подобренията на ниво пиксел, се използват няколко техники за обработка на изображения за допълнително подобряване на динамичния обхват.
Изображения с висок динамичен обхват (HDR).
HDR изображенията включват заснемане на множество изображения на една и съща сцена при различни нива на експозиция и след това комбинирането им, за да се създаде едно изображение с по-широк динамичен диапазон. Това позволява улавяне на детайли както в най-светлите, така и в най-тъмните области на сцената.
Алгоритмите за картографиране на тонове след това се използват за компресиране на изображението с висок динамичен диапазон във формат с по-нисък динамичен диапазон, подходящ за показване на стандартни екрани. Тези алгоритми имат за цел да запазят детайлите и контраста на оригиналната сцена, докато се вписват в ограниченията на дисплея.
HDR вече се използва широко във фотографията, видеозаснемането и технологията на дисплея за създаване на по-реалистични и визуално привлекателни изображения.
Локално тонално картографиране
Алгоритмите за локално тонално картографиране регулират независимо яркостта и контраста на различните области на изображението. Това позволява подобряване на детайлите както в светли, така и в тъмни области, без да се засяга цялостният баланс на изображението.
Тези алгоритми често анализират локалния контраст и яркост на всеки регион и прилагат крива на тонално картографиране, която е оптимизирана за тази конкретна област. Това може да доведе до по-естествено и детайлно изображение в сравнение с техниките за глобално тонално картографиране.
Локалното тонално картографиране е особено полезно за сцени с висок контраст, където глобалното тонално картографиране може да доведе или до преекспонирани светли точки, или до недоекспонирани сенки.
Логаритмично усилване
Логаритмичното усилване компресира сигнала от пиксела по логаритмичен начин. Това позволява да се улови по-широк диапазон от интензитети на светлината без насищане. След това логаритмичният сигнал се декомпресира по време на обработката, за да се възстановят оригиналните стойности на яркостта.
Тази техника е особено полезна в приложения за научни изображения, където се изисква много широк динамичен диапазон.
Чрез компресиране на сигнала логаритмичното усилване позволява улавянето на много слаби и много ярки сигнали едновременно.
Времево свръхсемплиране
Временното свръхсемплиране включва заснемане на множество кадри от една и съща сцена в бърза последователност и след това тяхното осредняване заедно. Това намалява шума и увеличава ефективния динамичен обхват на сензора.
Чрез осредняване на множество кадри, произволният шум се намалява, което води до по-чист сигнал и подобрено качество на изображението.
Тази техника е особено полезна при условия на слаба светлина, където шумът може да бъде значителен проблем.
Дисплейни технологии и динамичен обхват
Динамичният диапазон на дисплейните технологии е също толкова важен, колкото и този на сензорите за изображения. Технологиите на дисплея с по-висок динамичен диапазон могат да възпроизвеждат изображения с по-голям реализъм и детайлност.
OLED дисплеи
Дисплеите с органичен светоизлъчващ диод (OLED) предлагат отличен динамичен диапазон поради способността им да контролират индивидуално яркостта на всеки пиксел. Това позволява истински черни нюанси и много ярки акценти, което води до високо контрастно съотношение и широк динамичен диапазон.
OLED дисплеите също имат много бързо време за реакция, което намалява замъгляването на движението и подобрява цялостното изживяване при гледане.
Възможността за пълно изключване на отделни пиксели е ключово предимство на OLED технологията по отношение на динамичния обхват.
LCD дисплеи с локално затъмняване
Технологията на дисплея с течни кристали (LCD) може също да постигне висок динамичен обхват чрез използването на локално затъмняване. Локалното затъмняване включва разделяне на подсветката на множество зони и контролиране на яркостта на всяка зона независимо. Това позволява по-тъмно черно и по-ярки акценти, което води до по-висок контраст и подобрен динамичен диапазон.
Ефективността на локалното затъмняване зависи от броя на зоните и точността, с която може да се контролира яркостта на всяка зона.
Докато LCD дисплеите с локално затъмняване могат да постигнат добър динамичен диапазон, те обикновено не са толкова добри, колкото OLED дисплеите в това отношение.
MicroLED дисплеи
MicroLED дисплеите са нововъзникваща дисплейна технология, която предлага потенциал за още по-висок динамичен обхват от OLED дисплеите. MicroLED са малки светодиоди, които могат да се управляват индивидуално, подобно на OLED. MicroLED обаче са по-ярки и по-ефективни от OLED и не страдат от същите проблеми с изгарянето.
MicroLED дисплеите все още са в ранен етап на развитие, но се очаква да се превърнат в основен играч на пазара на дисплеи през следващите години.
Комбинацията от висока яркост, висока ефективност и индивидуален контрол на пикселите прави MicroLEDs обещаваща технология за постигане на много висок динамичен диапазон.
Често задавани въпроси
Какво е динамичен обхват в изображенията?
Динамичният диапазон е съотношението между максималния и минималния измерим интензитет на светлината, който системата за изображения може да улови или дисплеят може да възпроизведе. По-широкият динамичен диапазон означава, че могат да се видят повече детайли както в светлите, така и в тъмните области на изображението.
Как размерът на пиксела влияе на динамичния диапазон?
По-големите пиксели обикновено имат по-голям пълен капацитет на гнездото, което им позволява да улавят повече светлина и по този начин увеличават динамичния обхват. По-малките пиксели често имат по-нисък пълен капацитет на гнездото, което може да ограничи динамичния обхват. Иновативните дизайни като задно осветление могат да помогнат за смекчаване на това.
Какво е HDR изображение?
HDR (High Dynamic Range) изображения включват заснемане на множество изображения на една и съща сцена при различни нива на експозиция и комбинирането им за създаване на едно изображение с по-широк динамичен диапазон. Това позволява улавяне на детайли както в най-светлите, така и в най-тъмните области на сцената.
Как OLED дисплеите подобряват динамичния обхват?
OLED (Органични светоизлъчващи диоди) дисплеите предлагат отличен динамичен диапазон, тъй като всеки пиксел може да се контролира индивидуално. Това позволява истински черни нюанси (изключени пиксели) и много ярки акценти, което води до високо съотношение на контраст и широк динамичен диапазон.
Какви са някои бъдещи тенденции в подобряването на динамичния диапазон?
Бъдещите тенденции включват напредък в технологията на дисплеите MicroLED, по-нататъшни подобрения в дизайна на пикселите и техниките за четене и разработването на по-сложни алгоритми за обработка на изображения за HDR и тонално картографиране. Тези подобрения ще доведат до още по-широки динамични диапазони и по-реалистични изображения.
