HDR (High Dynamic Range) bezeichnet den Helligkeitsbereich, den eine Kamera oder ein Bildsensor erfassen kann. Mit dieser Technologie ist es möglich, sowohl sehr dunkle als auch sehr helle Bereiche gleichzeitig und detailliert darzustellen. In diesem Artikel erklären wir das Grundkonzept von HDR, die Definition und Berechnung des Dynamischen Bereichs in CMOS-Bildsensoren sowie die technischen Ansätze, die notwendig sind, um HDR zu realisieren.
Was ist HDR?
HDR steht für „High Dynamic Range“ und ist eine Technologie, die den Helligkeitsbereich, den eine Kamera oder ein Bildsensor erfassen kann – auch als Dynamischer Bereich bezeichnet – erweitert. Bei herkömmlichem SDR (Standard Dynamic Range) kann es vorkommen, dass bei Szenen mit großem Helligkeitsunterschied die dunklen Bereiche abgeschnitten oder die hellen Bereiche überbelichtet sind. Mit HDR-Technologie werden diese Probleme gelöst, sodass mehr Details in der gesamten Szene treu wiedergegeben werden können.
Das folgende Bild zeigt einen Vergleich zwischen SDR und HDR. Bei SDR gehen die Helligkeitsstufen in den dunklen und hellen Bereichen verloren, während bei HDR beide Stufen klar und detailliert dargestellt werden.
引用元：Sony What’s HDR(https://imagesensor-info.com/wp-admin/post.php?post=83&action=edit)
Dynamischer Bereich bei CMOS-Bildsensoren
Der dynamische Bereich eines CMOS-Bildsensors wird als Verhältnis zwischen dem dunkelsten und dem hellsten Signal definiert, das der Sensor gleichzeitig erfassen kann. Konkret wird er als Verhältnis zwischen der Sättigungssignalmenge eines Pixels (Ssat) und dem Dunkelstromrauschen (Ndark) ausgedrückt und kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
$$ DR = 20logfrac{Ssat}{Ndark}[dB] $$
Zum Beispiel, wenn das Sättigungssignal 100.000 beträgt und das Dunkelstromrauschen 10, dann wäre der dynamische Bereich 100 dB. Allgemein wird ein dynamischer Bereich von 100 dB oder mehr als indikativ für HDR-Leistung betrachtet.
Methoden zur Erweiterung des Dynamischen Bereichs
Um den dynamischen Bereich eines CMOS-Bildsensors zu erweitern, können die folgenden Ansätze in Betracht gezogen werden:
- Erhöhung der Sättigungskapazität: Durch die Erhöhung der Sättigungskapazität der Pixel kann die maximale Anzahl an Photonen, die der Sensor aufnehmen kann, erhöht werden. Dies ermöglicht eine genauere Erfassung der helleren Bereiche.
- Rauschreduzierung: Durch die Reduzierung von Dunkelstrom und Leserauschen kann das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in den dunklen Bereichen verbessert werden, was zu einer klareren Erfassung der Details in den Schatten führt.
- Zusammensetzung mehrerer Belichtungen: Dies ist eine Technik, bei der mehrere Bilder mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommen und kombiniert werden, um ein Bild mit einem erweiterten dynamischen Bereich zu erzeugen. Auf diese Weise können sowohl helle als auch dunkle Details effektiv wiedergegeben werden.
Durch diese technischen Ansätze kann der dynamische Bereich eines CMOS-Bildsensors effektiv erweitert und HDR-Aufnahmen realisiert werden.
Zusammenfassung
Die HDR (High Dynamic Range)-Technologie ermöglicht es Kameras und Bildsensoren, Details sowohl in sehr dunklen als auch in sehr hellen Bereichen gleichzeitig zu erfassen. Der dynamische Bereich eines CMOS-Bildsensors wird durch das Verhältnis der Sättigungskapazität der Pixel und des Dunkelstromrauschens bestimmt. Um diesen Bereich zu erweitern, werden Methoden wie die Erhöhung der Sättigungskapazität, die Rauschreduzierung und die Kombination mehrerer Belichtungen verwendet. Durch diese Techniken wird es möglich, qualitativ hochwertigere Bilder zu erzeugen.
Q. Was ist der dynamische Bereich?
A. Der dynamische Bereich ist der Helligkeitsbereich, den der Sensor verarbeiten kann.
$$ DR = 20logfrac{Ssat}{Ndark}[dB] $$
wird verwendet, um ihn darzustellen.
Q. Was ist HDR?
A. HDR steht für High Dynamic Range.
(Obwohl es keine klare Definition gibt, wird in der Regel behauptet, dass ein dynamischer Bereich von etwa 100 dB oder mehr HDR bedeutet.)
Wir haben auch eine Erklärung zum Thema Bildsensoren, also schauen Sie sich das bitte auch an!
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