【智領講堂】ADAS要(yào / yāo)素，140dB HDR爲(wéi / wèi)何如此重要(yào / yāo)

簡介：本文對HDR的(de)圖像處理技術做了(le／liǎo)簡要(yào / yāo)的(de)介紹，着重對HDR的(de)應用如何讓我們獲得更加真實、明亮、細膩的(de)圖像，怎樣提高圖像質量和(hé / huò)觀感效果 。通過這(zhè)些技術的(de)分析，讓我們對HDR有一(yī / yì ／yí)個(gè)全面的(de)了(le／liǎo)解。

什麽是(shì)HDR？

HDR代表高動态範圍（High Dynamic Range），它是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)技術術語，可以(yǐ)提供更多的(de)動态範圍和(hé / huò)圖像細節。通常我們在(zài)描述一(yī / yì ／yí)個(gè)場景的(de)時(shí)候，動态範圍指的(de)是(shì)其最亮部與最暗部的(de)亮度比值。高動态範圍的(de)場景（High Dynamic Range Scene）指的(de)是(shì)場景裏同時(shí)存在(zài)非常亮和(hé / huò)非常暗的(de)部分。

HDR的(de)來(lái)源

事實上(shàng)，HDR首先作爲(wéi / wèi)靜止攝影技術而(ér)聞名于(yú)世，法國(guó)攝影師古斯塔夫·勒·格雷（Gustave Le Gray）在(zài)1850年代首次使用了(le／liǎo)它，他(tā)了(le／liǎo)解膠片底片的(de)動态範圍限制，并使用兩個(gè)單獨的(de)曝光來(lái)創建克服這(zhè)些限制的(de)圖像。

數字化時(shí)代浪潮中，随着數碼攝影的(de)發展和(hé / huò)突破，這(zhè)些攝影技術概念，得以(yǐ)在(zài)相機成像傳感器和(hé / huò)軟件中成爲(wéi / wèi)可能，并且HDR技術發展涉及攝影、圖像處理、顯示技術等諸多軟硬件關聯領域。

HDR的(de)場景運用

高動态範圍圖像，受限于(yú)圖像傳感器滿阱容量（Full Well Capacity，FWC）和(hé / huò)本底噪聲，滿阱容量小則無法保存更多的(de)高亮信息，本底噪聲大(dà)則無法記錄更多的(de)暗部信息。因此，圖像傳感器所能捕捉的(de)動态範圍是(shì)有限的(de)。

所以(yǐ)通過其他(tā)的(de)方法，來(lái)捕捉這(zhè)種高動态範圍的(de)場景，這(zhè)就(jiù)是(shì)高動态範圍成像技術（HDR Imaging）。

但是(shì)，HDR圖像在(zài)現有顯示技術中，也(yě)必然要(yào / yāo)進行動态範圍壓縮，在(zài)HDR硬件範圍内處理顯示。随着HDR體系的(de)不(bù)斷進步，以(yǐ)及硬件、軟件内容的(de)支持，人(rén)們已經在(zài)高端顯示領域，體驗到(dào)色彩更豐富、對比度更高的(de)視覺效果。

如何實現HDR顯示？

我們通常使用的(de)手機拍照，采集的(de)是(shì)10bit RAW數據，無法體現真實環境的(de)動态範圍，使用多幀異曝光高動态成像技術，以(yǐ)一(yī / yì ／yí)次拍攝中曝光、低曝光、加曝光的(de)方式，形成3張或者更多張不(bù)同曝光量的(de)RAW數據，經過ISP圖像處理及HDR算法融合後bit深度增加，能夠體出(chū)更多的(de)亮、暗處細節，實現還原接近人(rén)眼觀察的(de)視覺效果。

車載領域HDR sensor，以(yǐ)近似同時(shí)曝光的(de)3幀或者4幀Linear RAW（長曝光、中曝光、短曝光、超短曝光），融合成圖像深度較高的(de)HDR RAW（通常爲(wéi / wèi)20bit或者24bit），實現sensor硬件輸出(chū)HDR RAW圖就(jiù)達到(dào)提高動态範圍的(de)目的(de)，然後經分段線性壓縮後，傳輸到(dào)ISP芯片做成像處理，進行圖像重建和(hé / huò)色彩重建，還原真實場景的(de)清晰度和(hé / huò)色彩。所以(yǐ)在(zài)曝光配置時(shí)，需要(yào / yāo)注意遵循一(yī / yì ／yí)些規範，避免一(yī / yì ／yí)些異常問題的(de)出(chū)現。

比如下面圖片中，在(zài)移動時(shí)邊緣有輪廓很寬的(de)僞像，拖影非常明顯，且僞像帶有異常顔色，嚴重影響機器視覺應用中對物體的(de)識别，而(ér)且在(zài)人(rén)類視覺觀感上(shàng)表現也(yě)非常糟糕。

需要(yào / yāo)通過分析HDR RAW圖和(hé / huò)Linear RAW圖的(de)表現，來(lái)輔助判斷主要(yào / yāo)問題出(chū)在(zài)哪兒，再針對進行調優。

通過分析問題，是(shì)Linear幀曝光比配置不(bù)合理，硬件合成HDR圖像時(shí)，拼接處矢量方向上(shàng)有差異邊緣存在(zài)僞像，無法融合成完美的(de)真實圖像，因此需要(yào / yāo)以(yǐ)芯廠建議的(de)曝光比，來(lái)計算和(hé / huò)配置曝光時(shí)間，優化此種問題。

通過以(yǐ)合适的(de)曝光比，調整曝光時(shí)間後，使幀間offset時(shí)間減小，融合得到(dào)的(de)HDR圖像，就(jiù)能呈現符合人(rén)眼觀感的(de)效果。

至于(yú)圖像中僞像部分的(de)異常色彩，是(shì)合成HDR圖像前的(de)某一(yī / yì ／yí)幀本來(lái)的(de)顔色，因此需要(yào / yāo)Linear幀校正，以(yǐ)及配合預處理WB增益來(lái)輔助優化，使其融合成HDR圖像後，邊緣處能以(yǐ)中性色體現。

類似問題點

比如下圖，左圖爲(wéi / wèi)拍攝有太陽的(de)天空，太陽呈現粉色異常現象。原因在(zài)于(yú)配置曝光時(shí)間時(shí)，爲(wéi / wèi)追求達到(dào)更高的(de)動态範圍，超短幀曝光時(shí)間配置太短，導緻圖像曝光比不(bù)合理，高動态場景高亮度區域出(chū)現異常現象。

經過調優，适配合适的(de)曝光時(shí)間，且配合其他(tā)方式解決異常色彩，問題得到(dào)優化，但是(shì)高亮度區域（太陽），比之(zhī)前略過曝一(yī / yì ／yí)些，具體體現爲(wéi / wèi)太陽光輪廓變大(dà)，邊緣光團面積增加。

總結

人(rén)眼的(de)動态範圍一(yī / yì ／yí)般在(zài)120dB左右，前視攝像頭作爲(wéi / wèi) ADAS/AD 的(de)核心眼，需要(yào / yāo)在(zài)高速行駛時(shí)，快速識别不(bù)同光照條件下的(de)明暗細節，準确捕獲圖像，否則影響行車安全。典型的(de) HDR 需求是(shì)當汽車駛出(chū)隧道(dào)既要(yào / yāo)識别亮處也(yě)要(yào / yāo)獲取暗部細節，或者夜景中識别極暗的(de)行人(rén)和(hé / huò)極亮的(de)車燈、LED 信号燈等。理想的(de)動态範圍需超過人(rén)眼 DR，達到(dào) 140dB HDR。

因此對于(yú) ADAS 應用，覆蓋 120dB HDR 是(shì)基本要(yào / yāo)求，而(ér)覆蓋 140dB HDR 是(shì)汽車機器視覺的(de)趨勢所在(zài)。