最近有種單幀HDR技術(shù)，能讓手機(jī)攝影低功耗+無偽影

HDR（High Dynamic Range，高動態(tài)范圍）仿佛是成像領(lǐng)域永恒的話題——感覺每年都有手機(jī)廠商在宣傳自家手機(jī)攝像頭拍照、拍視頻，獲得的畫面寬容度能有多廣。這兩年，不僅手機(jī)夜間成像能不能拍到燈箱細(xì)節(jié)成為旗艦機(jī)的必考題，視頻拍攝HDR也已經(jīng)成為手機(jī)OEM廠商爭搶的高地。

一般我們說，這里的動態(tài)范圍是指成像系統(tǒng)在一幅圖像里能夠同時體現(xiàn)高光和陰影部分內(nèi)容的能力。誰都希望即便在場景的亮處和暗處光比很大時，手機(jī)攝像頭的最終呈現(xiàn)依舊游刃有余。隨這些年CMOS圖像傳感器工藝技術(shù)進(jìn)步，以及后端數(shù)字信號處理算力的提升，各種不同的HDR技術(shù)走得都還是比較快。

比如常見的所謂時域多幀HDR技術(shù)，就是相機(jī)針對同場景，連續(xù)拍下欠曝到過曝的多張圖像，最后做圖像的多幀合成，輸出一張高動態(tài)范圍HDR圖像。再比如DOL/Staggered HDR，傳感器每行像素以長短曝光先后輸出，實現(xiàn)“準(zhǔn)同時”的不同亮度的信號，獲取最終的HDR畫面。還有大小pixel分離結(jié)構(gòu)，不同尺寸的像素獲得不同的感光信號，覆蓋不同動態(tài)范圍。..。..

今年8月，格科微宣布發(fā)布業(yè)界首款DAG單幀高動態(tài)1300萬像素圖像傳感器GC13A2。這里的DAG（Dual Analog Gain）又是一類實現(xiàn)照片與視頻HDR的技術(shù)。在我們看來，這款產(chǎn)品有幾個關(guān)鍵詞。

其一是“單幀HDR”，并非手機(jī)拍照常見的多幀合成HDR；其二是從GC13A2的規(guī)格來看，1300萬像素分辨率，1/3.1英寸大小，單像素尺寸1.12μm，可見格科微將真正的視頻HDR技術(shù)，下放到了入門或中端手機(jī)設(shè)備上——大概明年，大部分手機(jī)都能普及此前旗艦手機(jī)才有的視頻HDR了。

我們來看看格科微的DAG HDR究竟是怎樣一種技術(shù)，效果如何。

DAG VS 多幀合成

傳統(tǒng)的時域多幀HDR，如前文所述，就是以不同的曝光參數(shù)，拍下多張圖像，最終對齊合成——欠曝的畫面照顧到了亮部細(xì)節(jié)，而過曝的畫面則能夠較好地呈現(xiàn)暗部細(xì)節(jié)。合成以后也就有了HDR效果。

這類方案的缺陷主要是，即便拍攝多張照片或多幀影像的時間間隔很短，“多幀”的這些畫面，畢竟仍然是不同時間拍攝的：那么當(dāng)移動中取景或畫面存在高速運動對象時，就會產(chǎn)生運動偽像或鬼影。無論是拍照還是拍視頻，后端都需要對偽像再做處理。

即便現(xiàn)在包括AI在內(nèi)的技術(shù)可用于消除運動偽像，多幀合成依然存在局限性。比如說要求AI模型有足夠廣的覆蓋度，算法效果也未必理想；后期消除偽像，系統(tǒng)成本會隨之提升——成本敏感型設(shè)備承受不了；影像拍攝的系統(tǒng)功耗也可能不理想。

那么很自然的，單幀HDR成為一個值得發(fā)展的方向。格科微選擇的就是自研DAG HDR。格科微在資料中說，這項技術(shù)是基于單幀畫面，針對畫面暗部使用高模擬增益，使得暗部“更清晰，更有質(zhì)感”，針對亮部使用低模擬增益，避免過曝。那么就能最終輸出HDR圖像。DAG的Dual Analog Gain應(yīng)該就是指這兩種增益了。

格科微告訴我們，所謂的“analog gain”模擬增益，是在ADC環(huán)節(jié)部分的增益，“暗部用一種gain，亮部用一種gain”基于對不同位置曝光的判斷，“在傳感器內(nèi)部就完成整個過程”，“只輸出一幀畫面”。據(jù)說這種方案通過較小的成本增加，帶來近10dB的動態(tài)范圍提升。

DAG HDR至少在拍照的三個方面提升了動態(tài)范圍，拍攝畫面預(yù)覽、拍照、拍視頻。畫面預(yù)覽很容易理解：因為DAG HDR是單幀HDR，那么理論上在例如手機(jī)拍照時，按下快門前，拍照界面的畫面預(yù)覽就已經(jīng)能夠看到HDR效果。

比如下面這組預(yù)覽取景對比，分別是GC13A2的DAG HDR畫面（右），以及另外一款同樣1/3.06“ 1300萬像素圖像傳感器輸出的常規(guī)10bit畫面（左）。注意水面暗部細(xì)節(jié)，及大樓外屏亮部細(xì)節(jié)對比，可以明顯發(fā)現(xiàn)DAG HDR還原的動態(tài)范圍更大，高亮的霓虹燈幾乎沒有過曝。

左圖：普通預(yù)覽 右圖：DAG HDR 預(yù)覽

看看DAG實際效果怎么樣

當(dāng)然，即便應(yīng)用了單幀HDR技術(shù)，仍然可以借助時域多幀HDR來更進(jìn)一步提升畫面動態(tài)范圍。好處在于，用了單幀HDR的傳感器，在做多幀合成時，合成數(shù)量減少、功耗降低。

當(dāng)用于照片拍攝時，相較傳統(tǒng)10bit方案，需要3幀合成的場景減少了50%。在格科微的高光比測試場景內(nèi)，沒有單幀HDR方案的圖像傳感器拍照時，在60%的情況下需要進(jìn)行3幀合成才能獲得HDR效果；而一旦有了DAG HDR的加持，那么80%的場景都只需要做2幀合成，10%的情況下用單幀就保留了高動態(tài)范圍，還有10%才考慮用3幀合成。

左圖：傳統(tǒng) HDR 拍照 右圖：DAG HDR 拍照

下面這組圖是GC13A2在打開DAG HDR以后，正常曝光與2幀合成的照片，以及關(guān)閉DAG HDR時的正常曝光與3幀合成照片效果對比。從背景抓娃娃機(jī)的燈光呈現(xiàn)，以及減少的合成幀數(shù)，這組對比還是能夠明確感受到DAG HDR的威力的。

左組圖：DAG HDR OFF 右組圖：DAG HDR ON

那么對應(yīng)的，多幀合成的任務(wù)減少，一方面更好地抗運動偽像和鬼影，另一方面則讓系統(tǒng)功耗得到大幅縮減——對手機(jī)這樣的功耗敏感型設(shè)備而言有價值。運動偽像的消除，可從下面這個快速搖擺的運動對象拍攝看得出來。

左圖：多幀合成拍照 右圖：DAG HDR單幀拍照

值得一提的是，實際上DAG這類單幀HDR方案，在功耗更低和無鬼影的問題上，也比隔行長短曝光之類的“準(zhǔn)同時”多曝光方案有優(yōu)勢。格科微似乎也在內(nèi)部測試中對比了stagger HDR，以表現(xiàn)DAG的明確優(yōu)勢。

左：stagger HDR 右：DAG HDR

另外在視頻拍攝上，GC13A2可以全時低功耗輸出12bit高動態(tài)范圍圖像和4K 30fps視頻。在視頻拍攝時，單幀輸出就能獲得比較理想的HDR效果。一方面在圖像傳感器層面，將HDR視頻真正帶到了入門手機(jī)之上；另外實現(xiàn)HDR視頻的同時，因為期間沒有采用多幀合成，所以功耗減少了大約30-40%，也避免了多幀合成的運動偽像問題。

在后端算力平臺支持12bit數(shù)據(jù)處理時，這顆傳感器就能將12bit數(shù)據(jù)完整輸出；考慮入門平臺不支持12bit數(shù)據(jù)的情況，則GC13A2也能通過global-tone-mapping算法，將數(shù)據(jù)壓縮到10bit——雖說做了數(shù)據(jù)位壓縮，但畫面亮部與暗部細(xì)節(jié)仍有保留，所以仍有HDR效果。

未來會擴(kuò)展到高端定位和其他市場

DAG HDR技術(shù)在格科微內(nèi)部的研發(fā)，前后總共可能歷經(jīng)了3-5年。這項技術(shù)的難點在“電路、算法方面的經(jīng)驗積累”上。據(jù)說在格科微更早期的傳感器產(chǎn)品上，就有對應(yīng)技術(shù)的“試驗”。到現(xiàn)如今正式量產(chǎn)，克服了不少難點。

格科微將GC13A2定位于手機(jī)、平板電腦之類的移動設(shè)備。未來格科微也考慮將DAG HDR技術(shù)應(yīng)用到更高端定位的傳感器產(chǎn)品上?！斑@項技術(shù)發(fā)布以后，未來入門級智能手機(jī)產(chǎn)品都能用上HDR視頻拍攝和預(yù)覽?！备窨莆⑾嚓P(guān)市場負(fù)責(zé)人在接受采訪時說，“1300萬像素是能最快實現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品。后續(xù)將技術(shù)復(fù)制到其他產(chǎn)品上也不會有問題?！?/p>

甚至未來格科微推出的大部分傳感器產(chǎn)品，都考慮將DAG或者其他HDR技術(shù)作為標(biāo)配。通過在更高性能的產(chǎn)品上搭載DAG技術(shù)，也能進(jìn)一步拉高品牌定位。

尤為值得一提的是，今年6月，格科微在安博會上發(fā)布了一款面向智慧城市、智能家居、會議系統(tǒng)等的GC8613傳感器。規(guī)格上，除了4K分辨率以外，這顆傳感器就已經(jīng)率先實現(xiàn)了DAG HDR單幀高動態(tài)。這是DAG HDR技術(shù)還可應(yīng)用于更多市場的佐證。

格科微告訴我們，無論GC13A2還是GC8613，都已經(jīng)有客戶引入或做評估。GC13A2大概率明年就能在手機(jī)產(chǎn)品上看得到。

從這些年格科微布局sensor shift OIS光學(xué)防抖方案，再到COM封裝技術(shù)（錫焊COB）等，都能看出格科微在技術(shù)儲備上的努力。據(jù)說當(dāng)前格科微針對HDR技術(shù)還在做進(jìn)一步的深入和研究，很快大約也能看到DAG之外的其他成果。從格科微的時間和技術(shù)沉淀投入還是能夠看出這家公司入駐高端市場的決心和實力的。