Динамічний діапазон, співвідношення між максимальною та мінімальною вимірюваною інтенсивністю світла, є ключовим аспектом технології зображення та відображення. Удосконалення технології пікселів відіграли ключову роль у значному розширенні можливостей динамічного діапазону сучасних систем зображення та дисплеїв. У цій статті розглядаються різноманітні техніки та інновації в дизайні та обробці пікселів, які сприяють покращенню динамічного діапазону, створюючи багатші та реалістичніші зображення.
Розуміння динамічного діапазону
Динамічний діапазон означає здатність системи знімати або відображати одночасно дуже яскраві та дуже темні сцени. Ширший динамічний діапазон дозволяє відобразити більше деталей як у світлих, так і в тінях зображення. Без належного динамічного діапазону або яскраві ділянки будуть перетримані (розмиті), або темні ділянки будуть недотримані (повністю чорні), що призведе до втрати деталей і менш реалістичного зображення сцени.
Розгляньте фотографію заходу сонця. Камера з низьким динамічним діапазоном може добре знімати яскраве небо, але деталі переднього плану будуть втрачені в темряві. І навпаки, якщо передній план правильно експонований, небо може виглядати як безвиразна біла пляма. Однак система з розширеним динамічним діапазоном (HDR) захоплює як яскраве небо, так і темний передній план із деталізацією, створюючи більш візуально привабливе та точне зображення.
Вимірювання динамічного діапазону часто виражається в децибелах (дБ) або як співвідношення. Більше значення дБ або більший коефіцієнт вказує на більший динамічний діапазон.
Піксельна архітектура та динамічний діапазон
Дизайн і архітектура окремих пікселів значно впливають на загальний динамічний діапазон датчика зображення або дисплея. Використовується кілька методів, щоб максимізувати кількість світла, який може впоратися з кожним пікселем, і мінімізувати шум, тим самим покращуючи динамічний діапазон.
Розмір пікселів і повна ємність свердловини
Ємність повної свердловини (FWC) відноситься до максимальної кількості електронів, які піксель може зберігати до того, як стане насиченим. Великі пікселі, як правило, мають вищий FWC, що дозволяє їм вловлювати більше світла та таким чином розширювати динамічний діапазон. Однак збільшення розміру пікселя може зменшити роздільну здатність зображення, тому потрібно знайти баланс.
Менші пікселі часто страждають від нижчого FWC, що може обмежити динамічний діапазон. Інноваційні конструкції, такі як датчики заднього освітлення (BSI), пом’якшують цю проблему, покращуючи ефективність захоплення світла.
Зрештою, мета полягає в тому, щоб максимізувати кількість світла, яке може захопити кожен піксель, не вносячи надмірного шуму та не жертвуючи роздільною здатністю.
Техніка перенесення та зчитування заряду
Спосіб передачі заряду від пікселя до схеми зчитування також впливає на динамічний діапазон. Ефективна передача заряду мінімізує втрату заряду та зменшує шум, що сприяє розширенню динамічного діапазону.
Корельована подвійна вибірка (CDS) — поширений метод, який використовується для зменшення шуму скидання в датчиках зображення CMOS. Вимірюючи напругу пікселя до та після експозиції, CDS ефективно усуває шум скидання, що призводить до чистішого сигналу та покращеного динамічного діапазону.
Інші передові методи зчитування, такі як багаторазова вибірка та усереднення, можуть додатково зменшити шум і розширити динамічний діапазон.
Пікселі з високим коефіцієнтом перетворення
Пікселі з високим коефіцієнтом перетворення (HCG) перетворюють невелику кількість електронів у сигнал більшої напруги. Це підвищує чутливість пікселя, дозволяючи йому вловлювати більше деталей в умовах слабкого освітлення. Хоча пікселі HCG можуть покращити динамічний діапазон у нижньому кінці, вони можуть легше насичуватися при яскравому світлі.
Методи подвійного підсилення перетворення, коли піксель може перемикатися між низьким підсиленням перетворення (LCG) для яскравих сцен і HCG для темних сцен, пропонують ширший динамічний діапазон за рахунок оптимізації продуктивності в різних умовах освітлення.
Цей адаптивний підхід дозволяє охоплювати як яскраві, так і темні ділянки з деталізацією, що забезпечує більш реалістичне та збалансоване зображення.
Методи розширення динамічного діапазону
Крім покращень на рівні пікселів, для подальшого розширення динамічного діапазону використовується кілька методів обробки зображень.
Зображення з розширеним динамічним діапазоном (HDR).
Зображення HDR передбачає зйомку кількох зображень однієї сцени з різними рівнями експозиції, а потім їх поєднання для створення єдиного зображення з ширшим динамічним діапазоном. Це дозволяє захоплювати деталі як у найсвітліших, так і в найтемніших областях сцени.
Алгоритми тонального відображення потім використовуються для стиснення зображення з високим динамічним діапазоном у формат нижчого динамічного діапазону, придатний для відображення на стандартних екранах. Ці алгоритми спрямовані на збереження деталей і контрасту оригінальної сцени, одночасно вписуючись у обмеження дисплея.
Зараз HDR широко використовується у фотографії, відеозйомці та технології відображення для створення більш реалістичних і візуально привабливих зображень.
Локальна тональна карта
Локальні алгоритми тонального відображення незалежно регулюють яскравість і контрастність різних областей зображення. Це дозволяє підвищити деталізацію як у світлих, так і в темних областях, не впливаючи на загальний баланс зображення.
Ці алгоритми часто аналізують локальний контраст і яскравість кожної області та застосовують криву відображення тонів, оптимізовану для цієї конкретної області. Це може призвести до більш природного та детального зображення порівняно з методами глобального відображення тонів.
Локальна тональна картка особливо корисна для сцен із високим контрастом, де глобальна тональна картка може призвести до переекспонованих світлих ділянок або недоекспонованих тіней.
Логарифмічне посилення
Логарифмічне посилення стискає сигнал від пікселя логарифмічним способом. Це дозволяє фіксувати ширший діапазон інтенсивності світла без насиченості. Потім логарифмічний сигнал розпаковується під час обробки, щоб відновити вихідні значення яскравості.
Ця техніка особливо корисна для наукових застосувань зображень, де потрібен дуже широкий динамічний діапазон.
Завдяки стисненню сигналу логарифмічне підсилення дозволяє вловлювати як дуже слабкі, так і дуже яскраві сигнали одночасно.
Тимчасова передискретизація
Тимчасова передискретизація передбачає захоплення кількох кадрів однієї сцени у швидкій послідовності, а потім усереднення їх разом. Це зменшує шум і збільшує ефективний динамічний діапазон датчика.
Завдяки усередненню кількох кадрів випадковий шум зменшується, що призводить до чистішого сигналу та кращої якості зображення.
Ця техніка особливо корисна в умовах слабкого освітлення, де шум може бути значною проблемою.
Технології відображення та динамічний діапазон
Динамічний діапазон технологій відображення так само важливий, як і датчиків зображення. Технології відображення з більшим динамічним діапазоном можуть відтворювати зображення з більшою реалістичністю та деталізацією.
OLED-дисплеї
Дисплеї з органічними світлодіодами (OLED) пропонують чудовий динамічний діапазон завдяки здатності індивідуально контролювати яскравість кожного пікселя. Це забезпечує справжнє чорне та дуже яскраве відблиски, що забезпечує високий коефіцієнт контрастності та широкий динамічний діапазон.
OLED-дисплеї також мають дуже швидкий час відгуку, що зменшує розмитість руху та покращує загальні враження від перегляду.
Можливість повністю вимкнути окремі пікселі є ключовою перевагою технології OLED з точки зору динамічного діапазону.
РК-дисплеї з локальним затемненням
Технологія рідкокристалічного дисплея (LCD) також може досягти високого динамічного діапазону завдяки використанню локального затемнення. Локальне затемнення передбачає поділ підсвічування на кілька зон і регулювання яскравості кожної зони незалежно. Це дозволяє отримати темніші чорні відтінки та яскравіші відблиски, що забезпечує вищий коефіцієнт контрастності та покращений динамічний діапазон.
Ефективність локального затемнення залежить від кількості зон і точності, з якою можна контролювати яскравість кожної зони.
Хоча РК-дисплеї з локальним затемненням можуть досягти гарного динамічного діапазону, вони, як правило, не такі хороші, як OLED-дисплеї в цьому відношенні.
Дисплеї MicroLED
Дисплеї MicroLED — це нова технологія відображення, яка пропонує ще більший динамічний діапазон, ніж дисплеї OLED. MicroLED — це крихітні світлодіоди, якими можна керувати окремо, подібно до OLED. Проте MicroLED яскравіші та ефективніші, ніж OLED, і вони не страждають від тих самих проблем з вигоранням.
Дисплеї MicroLED все ще знаходяться на ранніх стадіях розробки, але очікується, що вони стануть основним гравцем на ринку дисплеїв у найближчі роки.
Поєднання високої яскравості, високої ефективності та індивідуального керування пікселями робить MicroLEDs перспективною технологією для досягнення дуже високого динамічного діапазону.
Часті запитання
Що таке динамічний діапазон у зображенні?
Динамічний діапазон — це співвідношення між максимальною та мінімальною виміряною інтенсивністю світла, яке може зафіксувати система зображення або відтворити дисплей. Ширший динамічний діапазон означає, що можна побачити більше деталей як у яскравих, так і в темних областях зображення.
Як розмір пікселя впливає на динамічний діапазон?
Великі пікселі, як правило, мають більшу повну ємність, що дозволяє їм вловлювати більше світла та таким чином розширювати динамічний діапазон. Менші пікселі часто мають нижчу повну ємність, що може обмежити динамічний діапазон. Інноваційні конструкції, такі як заднє освітлення, можуть допомогти пом’якшити це.
Що таке HDR-зображення?
Зображення HDR (розширений динамічний діапазон) передбачає захоплення кількох зображень однієї сцени з різними рівнями експозиції та їх поєднання для створення єдиного зображення з ширшим динамічним діапазоном. Це дозволяє захоплювати деталі як у найсвітліших, так і в найтемніших областях сцени.
Як OLED-дисплеї покращують динамічний діапазон?
OLED (органічні світлодіоди) дисплеї пропонують чудовий динамічний діапазон, оскільки кожним пікселем можна керувати індивідуально. Це забезпечує справжнє чорне (пікселі вимкнено) і дуже яскраві відблиски, що забезпечує високий коефіцієнт контрастності та широкий динамічний діапазон.
Які майбутні тенденції щодо покращення динамічного діапазону?
Майбутні тенденції включають прогрес у технології дисплеїв MicroLED, подальше вдосконалення дизайну пікселів і методів зчитування, а також розробку більш складних алгоритмів обробки зображень для HDR і тонального відображення. Ці досягнення призведуть до ще ширших динамічних діапазонів і більш реалістичних зображень.
