HDR是高端手機(jī)CMOS圖像傳感器（CIS）產(chǎn)品的標(biāo)配。在目前的CIS設(shè)計(jì)中，DCG-HDR成像的一種實(shí)現(xiàn)方式是需要高CG（HCG）和低CG（LCG）讀數(shù)，然后進(jìn)行HDR合并。因此，這種雙讀出程序和圖像融合，使得DCG-HDR成像的CIS發(fā)生幀速率降低（減少一半）和更高的功耗（~50%）。
來自藍(lán)廠VIVO 的luoyi介紹了一種具有每幀像素級(jí)轉(zhuǎn)換增益（CG）調(diào)制的CIS設(shè)計(jì)。與上述DCG-HDR成像相比，proposed adaptive DCG-HDR成像將CIS功耗降低了38%，并實(shí)現(xiàn)了單幀像素級(jí)HDR。
圖1所示是proposed pixel架構(gòu)和詳細(xì)示意圖。
基于傳統(tǒng)的DCG像素設(shè)計(jì)，并依賴于CG選擇信號(hào)，proposed pixel可以在LCG模式下工作，用于明亮場(chǎng)景中的成像；也可以使用HCG模式，用于黑暗場(chǎng)景中的視覺。proposed pixel包括一個(gè)像素內(nèi)DRAM單元，用于緩沖1bit模式選擇信號(hào)（?MODE）。當(dāng)?DRAM被拉起時(shí)，?MODE到達(dá)CDRAM并刷新DRAM單元。如果?DRAM變低，盡管像素之外有任何?MODE變化，MLCG仍然由存儲(chǔ)的?MODE控制。通過刷新存儲(chǔ)在像素內(nèi)存單元中的?MODE，每個(gè)像素都可采用HCG模式或LCG模式進(jìn)行編程。
圖2描述了CIS top-level architecture。
像素陣列被成像區(qū)、DRAM控制區(qū)和像素CG選擇邏輯區(qū)包圍。行邏輯塊包含行掃描儀和驅(qū)動(dòng)程序，用于逐行控制像素重置和讀出。DRAM控制塊通過行并行線將?DRAM信號(hào)饋送到像素。
圖3描述的CG選擇邏輯塊由successive-approximation-register
（SAR）模塊和模式選擇（MS）模塊組成。
像素輸出（?PIX）由一個(gè)采樣SAR模塊并轉(zhuǎn)換為2bit信號(hào)（SAR_OUT）。在MS模塊內(nèi)部的模式選擇邏輯（表1）的指導(dǎo)下，MS模塊確定?MODE給到像素那里。如果首選特定的CG模式，用戶可以通過設(shè)置2bit信號(hào)CG_SET和CG_THR來自定義?MODE。所有?MODE都被掃描并作為像素CG選擇數(shù)據(jù)發(fā)送。
圖4中描繪的是幀操作的時(shí)序圖。
CIS在rolling shutter方案中運(yùn)作。在每個(gè)幀開始時(shí)，默認(rèn)情況下將像素設(shè)置為HCG模式。在讀出期間，像素對(duì)CG選擇執(zhí)行預(yù)讀出。預(yù)讀出中的一行?PIX被轉(zhuǎn)移到像素CG選擇塊。一旦一行?MODE準(zhǔn)備就緒，DRAM控制塊會(huì)調(diào)出該特定行的?DRAM，以啟用像素內(nèi)DRAM刷新。在緩沖的?MODE的指導(dǎo)下，像素在HCG模式或LCG模式下讀出。像素輸出?PIX由列并行單斜（SS）ADC處理，并發(fā)送進(jìn)行片外處理。
下圖所示的是測(cè)量的光子傳輸曲線和信噪比（SNR）曲線。
HCG模式下的動(dòng)態(tài)范圍為63dB，與LCG一起擴(kuò)展到90.5dB。
在前述的DCG-HDR成像中，為了合成HDR圖像，HCG模式和LCG模式的讀數(shù)都通過ISP中的HDR合并合并。通過HDR合并，像素級(jí)HDR圖像融合需要巨大的計(jì)算能力。
在adaptive DCG-HDR成像中，基于單個(gè)讀出圖像生成HDR圖像。在像素CG選擇數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下，無(wú)需圖像融合即可實(shí)現(xiàn)像素級(jí)HDR成像。
根據(jù)場(chǎng)景，像素的CG模式被自適應(yīng)更改，以確保燈光和陰影中的場(chǎng)景對(duì)象清晰可辨。
在視頻拍攝中，前述DCG-HDR成像需要每幀的雙CIS讀數(shù)（HCG和LCG）再進(jìn)行HDR融合。對(duì)比之下，adaptive DCG-HDR成像需要每幀單個(gè)CIS讀出。因此，在固定幀速率和像素?cái)?shù)下，自適應(yīng)DCG-HDR成像CIS在能效方面具有優(yōu)勢(shì)。下圖顯示了以60fps測(cè)量的CIS功耗。
由于雙讀輸出操作，DCG-HDR中的CIS功耗比HCG/LCG模式高出約75mW。adaptive DCG-HDR消耗的功率為97.6mW，比DCG-HDR低38%。
下表總結(jié)了與最新設(shè)計(jì)的性能比較。在60fps時(shí)，CIS原型實(shí)現(xiàn)了無(wú)信噪比像素的HDR成像，功率FOM為9.9nJ/幀·像素。
adaptive DCG-HDR成像旨在為功率預(yù)算有限的移動(dòng)相機(jī)產(chǎn)品提供HDR應(yīng)用。
通過這些介紹，再看SONY的IMX989 DCG diagram ，理解就多一些了。
參照資料：
_A_60fps9.9nJ_framepixel_CMOS_Image_Sensor_with_On-Chip_Pixel-wise_Conversion_Gain_Modulation_for_Per-frame_Adaptive_DCG-HDR_Imaging
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