Understanding CMOS Image Sensor(一)

1.11 改进的曝光方式

Interlaced 曝光

为了改善rolling shutter 曝光方式存在的问题,有人提出了Interlaced 曝光和读出方式,如下图所示,新的曝光顺序将一帧拆分成8组,第一组包含行号 {0,8,16,24…},第二组包含行号 {1,9,17,25,…} ,以此类推,第八组包含行号 {7,15,23,31,….} 。这种曝光方式的优点是组与组之间的曝光延时为一帧时间的八分之一,以1080p@30fps 为例,一帧的读出时间大致在28ms左右,在新的曝光方式下像素间的最大曝光延时仅为3.5ms,可以更好地捕捉运动场景。

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斩波曝光(chopped)

在智能交通领域常会遇到拍摄交通信号灯的需求。大部分信号灯直接使用220V市电供电,因此会存在10ms的光能量周期(美国是110V,周期8.3ms)。偶尔也会有信号灯厂家偷工减料,使用半波整流器件将电频率的负半周过滤不用,这就导致信号灯每亮10ms之后就会熄灭10ms。虽然人眼看不出来,但sensor看的非常清楚。P.S. 遇到这种偷工减料的信号灯,一般可以要求业主更换信号灯供应商,并拉黑原供应商。

由于信号灯存在10ms的明暗周期,当sensor曝光时间很短时,就会遇到某一帧图像里信号灯碰巧全都不亮的尴尬场景,如下图所示。

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一般在晴朗的夏天,sensor曝光时间可能会需要短于1ms才能保证画面不过曝,此时遇到信号灯近似熄灭的概率已接近50%。而在夜晚则曝光时间通常需要大于10ms,所以不会遇到信号熄灭的问题,相反会遇到信号灯光太强以致sensor过饱和,全部信号变成白灯的问题。

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除了红绿灯之外,很多汽车上使用的LED大灯或者信号灯也是有频率的,而且平均点亮的时间(占空比,duty cycle)可能更短,如下图所示,这种情况sensor抓拍到LED(信号)灯熄灭的概率会更大。

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为了缓解这个问题,有人提出了斩波曝光的工作模式,其原理是把正常曝光所需的曝光时间(比如1ms)分散到11ms的固定时间间隔内执行,通过多次短暂曝光的效果累加实现1ms等效曝光时间,且能保证采样到信号灯最亮的时刻,如下图所示。

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这种方法的好处是增大了捕捉到信号灯点亮的概率,但是由于捕捉的时间短,所以画面上信号灯的亮度会比正常的要弱。所以这种方法并没有完美解决问题,只是一种缓解(mitigation)的方法。

1.12 画幅

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中画幅的sensor典型尺寸为44或53mm宽,3千万~1亿像素。Understanding CMOS Image Sensor(一)

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中画幅

全画幅的sensor典型尺寸为35mm宽,和早期的电影胶片一样大,具有1千万~5千万像素不等。Understanding CMOS Image Sensor(一)Understanding CMOS Image Sensor(一)

APS-C sensor 典型尺寸22mm宽,是单反相机的主力军,具有6百万~5千万像素不等。Understanding CMOS Image Sensor(一)Understanding CMOS Image Sensor(一)

4/3英寸画幅sensor,典型尺寸17.3mm宽,微单产品的主力,具有8百万~2千万像素不等。Understanding CMOS Image Sensor(一)Understanding CMOS Image Sensor(一)

1英寸画幅sensor,典型尺寸13.2mm宽,用于单反和高端安防产品

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1/3~2/3英寸sensor,便携camera和安防camera的主力军,1百万~2千万像素不等。Understanding CMOS Image Sensor(一)Understanding CMOS Image Sensor(一)

1/4~1/2英寸sensor,主要用于手机camera模组,8百万~4千万像素不等。Understanding CMOS Image Sensor(一)Understanding CMOS Image Sensor(一)

参考资料

https://clarkvision.com/articles/digital.sensor.performance.summary/clarkvision.com/articles/digital.sensor.performance.summary

转载:全栈芯片工程师

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