ISO和双增益(双原生ISO)

CMOS图像传感器,他能够将进入每个像点的光子转换成电荷。电荷转换为电压值,并且通过量化电压值。记录强度,成为我们看到的图片。

随着OPPO小米推出的新产品,作为宣传卖点,双ISO也来到大众眼中。

CMOS图像传感器中将电压信号通过放大,通过模数转换转换成数字信号,也就是将电压值进行量化。取决于拍摄环境和快门时间,光线充足时,CIS里面接收到的光更多,转换出的电荷更多,转换出的电压更大;而光线环境更暗时,为了保证快门时间又不能太长,接收到的光更少,像点输出的电压就更低。

这时候,进行模数转换,就会出现ADC精度的 限制(也就是我们一般说的ADC的比特数),这会使得我要保证光线充足时,ADC的精度能完全使用,弱光环境就更低的输出电压就会使得ADC读数过小,限制于精度,再对数字信号值放大会造成巨大的动态范围的损失和引入更大的量化噪声。

没有AMP放大的光线充足环境
没有AMP的光线较少的情况

所以为了更好的利用ADC有限的精度,我们需要一个可以控制放大率的放大器。这就是我们所说的ISO调节。在像素读出电压低的时候,AMP可以按档位,放大读出电压。以合适的利用ADC的精度。

使用AMP进行增益

通常相机厂商有的会使用一个AMP调节粒度高ISO档位。而有的厂商比如佳能,会使用多级AMP对电压进行放大,一级AMP先进行大致的放大,二级在进行放大实现更加精细的控制,而低端机干脆去掉二级AMP,机内拍摄的时候更加精细的ISO控制就直接数码增益了。

ISO的增益存在一个问题,也就是说在像素读出之后,AMP之前,这个过程中的噪声也会一并放大。所以要实现更高的信噪比,我们需要在弱光环境下尽量不用AMP进行大放大率的放大,像点需要本身就能直接输出更高的电压,提高信号比。也就是说,这需要一个更高灵敏度的传感器。高零灵敏度的传感器,需要通过减小电容(或者说像点本身就有放大率,放大率和电容成反比),也就是阱容来实现,但是降低阱容之后,在光线充足的环境下,就不能捕捉更多的光,减少散粒噪声,提高信噪比。

所以这里就出现了双增益,也被宣传为双原生ISO。双增益受限于专利,所以大家的实现方式都不一样,但是绕来绕去,都是做一个可以切换阱容的传感器。双增益在光线充足的情况下,可以使用更大阱容的模式,这样可以捕捉更多的光。而弱光下,切换更小的阱容,提高传感器的灵敏度,这时候像点输出的电压更高,就能压制本底噪声。

双增益可以提高弱光能力,而且可以突破过去那种长短曝做HDR,通过双增益做HDR,这也是小米所宣传的。OV48C的ADC是10bit的,本身相对于相机来说是非常的丢人的,而通过双原生ISO,可以实现14bit输出。

双原生ISO相对于ADC羸弱的手机CIS是更加实用的,通常14bit的ADC的相机传感器,和手机相比,多了4bit,也就是说可以拉4档之后还保留10bit的范围。而且10bit的ADC意味着本身就更高的量化噪声。

但是,双原生ISO或者双增益也不能解决所有问题,暗电流和复位噪声都是电荷形式的噪声,双增益又是改变灵敏度的方案,这些噪声都是会随着灵敏度提高一起被放大的,而读出噪声的大头:量化噪声事本身的ADC精度决定的,只要ADC还是那个ADC,量化噪声也不会被改善。更别说还有散粒噪声,这使得无论双增益怎么发展,信噪比和动态范围改善还是有很大限制的。

双增益/双原生ISO的噪声

双原生ISO和双增益配合依旧有那么档位的AMP,可以使模拟信号调节的ISO范围大大拓展,使超高ISO下能够避免数码放大引入的大量的量化噪声和动态范围下降。当一个CIS的阱容可以最低实现ISO100的时候,同时通常AMP可以实现1-64倍这个范围的放大档位调节,也就是说最大可以支持到ISO6400,再往上的ISO就需要对ADC转换过的12bit/14bit的数字信号再放大。而如果这个CIS能够切换到一个阱容为1/4的高敏感度的模式,ISO就能拓展到ISO25600,而同时没有双增益的那个已经损失掉了2bit的ADC的采样,这会引入大量的量化噪声和动态范围以及宽容度的丢失。

但是通常拍照你是不需要那么高ISO的,真到这么弱光环境用相机的人都拿三脚架长曝光了,手机的夜景模式也是手持较长时间的曝光然后堆栈,并且依靠机内的陀螺仪和相应的算法和堆栈去抖动的模糊,顺便再降噪涂抹和过锐。真正需要这么高ISO的反而是低光环境下的视频拍摄,因为视频录制的帧率限制,除非拍延时,不然是不能够做略长一点的快门时间,所以需要被迫的飙ISO,这里双增益的优势就挺明显的。

xian333c

tech nerd,Vup

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