HDR imaging (4)

这是HDR imaging系列的第四篇，之前的三篇文章分别讲了三种 sensor 生成HDR RAW图像的常用技术：DOL、DCG、SubPixel，涵盖了时域与空域合成高动态RAW图像的方法。

对于航天、普通消费类、监控与车载等不同的应用，HDR imaging对信号形式存在着不同的需求。

以一个14bit动态范围的场景为例，太空照相需要保证图像信号以线性形式由相机系统生成，图像信号从0到214-1（16383），能够线性地对应入射光照，如下图。

对于某些应用，不需要信号与光照的线性对应关系，比如普通的计算机显示器，只有8--10bit的动态范围，它们是不可能线性的展现14bit的图像的。分段线性压缩（Piecewise Linear Compression）这种方法用来实现把高动态范围（High bitdepth）的图像压缩到低动态范围（Low Bitdepth)进行显示。

还是以这个14bit的场景为例，大部分的图像成分的亮度分布在0-255（低8bit）范围内。太阳或者其他强光光源以及高反射率物体的亮度分布在8-14bit之间，他们在图像像素数量上的占比是比较小的。每个红色的圆圈表示图像的主要像素成分在亮度上的分布。

为了把14bit的图像显示在10bit的显示器上，PWL压缩的方法把0----214-1（16383）的像素值分成若干段，每一段线性地把直线折弯，如下图所示：

横轴是原始14bit图像，被PWL压缩后图像由蓝色虚线（14bit）变换到10bit（0-1023）。

每个偏折的节点（knee）的选取（下图垂直黑色虚线），是要尽量保证该分段内主要图像内容依然保持线性，否则图像的对比度在某个亮度上会看起来比较奇怪，比如在Knee point的位置会出现明显的banding。

把PWL压缩的折线放大来看如下图所示：

在监控和车载应用，为了减小图像信号从sensor到ISP传输的带宽，也用PWL compression的方法把HDR图像压缩到低动态范围。

与PWL压缩的在显示方面的应用的这个实例不同的是， 在车载和监控领域，一方面sensor HDR合成后输出图像的动态范围更高：有16bit---24bit，经常压缩到低bit：比如12bit输出。另一方面，在ISP接收到图像后，根据sensor端的PWL压缩曲线进行解压缩（decompanding或者叫decompression）到ISP的相应bit depth。如下图是sensor端的PWL压缩curve，图像从24bit压缩到12bit。

压缩公式为：gain=(output(n)-output(n-1))/（input（n）-input（n-1））

下图是12--24bit解压缩曲线，其节点（knee point）与压缩曲线 一 一对应。

ISP端要根据sensor的PWL 压缩曲线，并且根据ISP端的解压缩硬件的设计及目标位宽，配置出相应的解压缩（decompanding）曲线。

转载：全栈芯片工程师