让汽车“洞察秋毫”，HDR已成车规级CIS必看硬指标!

在当今智能手机普及的时代，HDR这个词已经变得家喻户晓。当我们在拍照时，我们常常会面临一个问题：

如果我们优先考虑高光区域的曝光，暗部细节很容易丢失；而如果我们优先考虑暗部细节，高光部分则往往会曝光过度。结果通常是，高光区域曝光过度，而暗部区域也因曝光不足而难以看清。

为了解决这一问题，HDR (High-Dynamic Range)—— 高动态范围技术应运而生。HDR是一种图像处理技术，它能够扩大图像的动态范围，使得图像的高光区域和暗部区域都能够得到更好的展现。通过使用HDR技术，我们可以得到更加真实、更加丰富的图像细节效果。

除了手机以外，数码相机也有HDR，车载摄像头也有HDR……但这些HDR都是通过同一种方式来实现的吗？实际上并非如此。

当我们提到HDR时，并不仅仅只是在讨论明暗细节

相机和许多数码相机等设备，通常是运用多帧合成技术来实现HDR效果。这意味着在拍摄时，设备会捕捉至少2-3张不同曝光度的照片，然后通过软件算法将这些照片整合为一张照片，以便同时保留高光区域的细节和暗部区域的细节。

然而，多帧合成技术并非实时的HDR技术。这种类型的HDR技术并不太适合用于拍摄动态对象（例如汽车舱外摄像头），因为在合成前后被拍摄物会发生位移或改变，可能会导致重影或残影等运动模糊。

△ 图片来自于Navitar成像光学“【应用】充当自动驾驶汽车“眼睛”的高动态范围(HDR)成像技术”一文

在汽车ADAS应用的各种传感器中，CMOS图像传感器（以下简称CIS）可以说是实现关键功能最重要的传感器。它对于移动物体、路况检测以及所有光照条件下的物体检测、识别等都起着重要作用。正由于车载图像传感器所提供的影像信息是后端运算的关键识别“依据”，因此除了对明暗细节的呈现性能外，图像的准确度也显得尤为紧要，一旦产生运动模糊，会直接导致后端算法的判断错误。因此当我们讨论车规级CIS的HDR性能时，并不能仅仅只是讨论明暗细节，如何让车载摄像头真正做到“准确地”洞察秋毫，同样关键！

汽车ADAS应用“呼唤”怎样的HDR技术？

要说明白这个问题，我们必须先理清汽车HDR技术实现的难点在哪儿？

汽车ADAS由于往往要应对穿越隧桥、夜间迎面大灯等许多极端亮度差的应用场景，所以对HDR性能要求极高（120dB~140dB）。

同时，如前文所述，汽车行驶过程也是极为典型的高速运动物体拍摄场景，因此传统的多帧合成的HDR方式很难胜任：不仅容易产生残影、重影等运动模糊，还会因为多帧合成导致帧率减损而造成响应延迟。

为了解决这个问题，Subpixel-HDR技术（俗称“大小Pixel设计”）应运而生，即一个像素具有大片OCL（上微透镜）和小的OCL，分别给SP1和SP2使用。SP2的OCL位于SP1的OCL的间隙部分中，这使得SP1与SP2的灵敏度比等于10:1。

相对于多帧合成HDR，这样的像素设计架构的传感器中SP1和SP2的信号是被同一时刻采样并且被串行输出的。同时，SP1以及SP2中累积的电荷都会被转换为两种模式下的电压，即高转换增益（HCG）以及通过切换FDG来实现的低转换增益（LCG）。从而能够输出在同一时刻采集的4张不同灵敏度的图像，来解决运动模糊和重影的问题。（该项技术最早由SONY于IEEE中发表）

△ 图片来自于“ADAS之眼”的“ADAS-一文看懂索尼车载CIS传感器之SubPixel-HDR技术”一文

然而，一个问题的解决往往会带来后续问题的产生，大小Pixel的设计虽然很好地解决了运动模糊和残影，但由于大Pixel和小Pixel之间容易产生信号串扰问题，又造成了炫光和颜色失真的新问题。同时由于大小Pixel的设计架构，还产生了将近25%的light loss，一定程度上降低了CIS的感度。

△ Split Pixel产生信号串扰和颜色失真的原因图解

既要解决运动模糊、失真的问题，还要兼顾感度、帧率以及色彩还原度等各方面性能，确实并非一桩易事。工程师们为了全面化解这些问题以创造真正适用于汽车ADAS应用需求的CIS，可谓是绞尽脑汁。

LOFIC + DCG HDR Technology

什么是LOFIC + DCG HDR技术？

LOFIC = Lateral overflow integrated capacitor 即横向溢出集成式电容技术。是一种通过多级电容的设计，将PD中的电荷溢出并进行分级存储的IC设计架构，再结合DCG技术将其转换为两种模式下的电压来进行读取，就能够实现一帧曝光下低亮度（高光细节）+高亮度（暗处细节）两张图像的输出（无帧率减损）。并且得益于这种分级电容的设计，在暗光场景下，PD中的电子能够在FD中以更高的电压（增益）读取，而得到更为明亮的画面，实现更高的感度。此外，有别于大小Pixel的像素设计，元视芯LOFIC技术仍旧采用了单Pixel+单大片上微透镜（OCL）设计，因而不会产生信号串扰和Light Loss的问题。

至此一项兼顾了高动态范围、高感度、高色彩还原度且无帧率减损和运动模糊的HDR技术“初露真容”。元视芯LOFIC+DCG HDR技术，预计可以实现高达140dB+的超高动态范围，满足汽车ADAS应用的切实应用需求。

技术的发展日新月异，为汽车智驾提供了良好的数据来源，而应用需求的催化也将引领持续的技术变革。如今HDR技术已然成为了车规级CIS必看的硬指标之一，而其性能的提升也为包括ADAS在内的辅助驾驶及智能汽车升级发展提供着极其重要的技术支撑。

在每个新技术的背后，都凝聚着无数研发人员的创新思维和夜以继日的努力。元视芯未来仍将继续发扬这种钻研精神，希望通过更前沿的技术创新为汽车行业和半导体产业的发展贡献自己的力量！

责编：Johnson Zhang