HDR - DYNAMIC RANGE ERHÖHEN ?

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HDR - DYNAMIC RANGE ERHÖHEN ?

Neue Auslesemethode zur Erhöhung der Dynamic Range von Sensoren

Mit Ausnahme der Arri Alexa 35 haben alle Cine Kameras immernoch lediglich einen hardwarebasierenden (Sensor) Dynamic Range (DR) von ca. 13 stops. Mittels der Log-Profile der Kamerhersteller ist jedoch eine Aufzeichnung von bis zu 15 stops DR möglich. Dies könnte sich jedoch in Zukunft ändern, denn es wurde von Thomas Wocial, Konstantin D. Stefanov, William E. Martin, John R. Barnes and Hugh R. A. Jones ein Paper über die Möglichkeit einer neuen Auslese-Methode für CMOS-Bildsensoren (CIS) mit dem Titel "A Method to Achieve High Dynamic Range in a CMOS Image Sensor Using Interleaved Row Readout" veröffentlicht. Die darin beschriebene "Verschachtelte Zeilenauslesung" führte zu signifikanten Steigerungen der DR, wenngleich dabei noch einiges an Arbeit notwendig ist bis das Verfahren serienreife erlangt. Hersteller könnten jedoch recht schnell ohne Mehrkosten für Hardware ihre Kameras in Bezug auf DR "aufrüsten", sofern die Controller dies erlauben. Die Ergebnisse der Versuche sind mehr als beachtlich!

STATE OF THE ART

Es gibt eine Reihe von Techniken zur Erweiterung der Dynamic Range
(DR) von CMOS-Bildsensoren (CISs). Diese wurden bisher in sieben Kategorien eingeteilt:

1) logarithmische Pixelantwort (logarithmic pixel response),
2) kombinierte lineare und logarithmische Reaktion (combined linear and logarithmic response),
3) Anpassung der Brunnenkapazität (well capacity adjustment),
4) frequenzbasierte Sensoren (frequency-based),
5) auf Zeit bis zur Sättigung basierende Sensoren (time-to-saturation-based),
6) globale Steuerung der Integration (global control of integration) und
7) lokale Steuerung der Integration (local control over integration)

Weitere Fortschritte, die zu einer erhöhten DR führen, konnten mit verbesserter Dunkelstromunterdrückung, geringerem Ausleserauschen und Multigain-Auslesen erzielt werden. Die 4/5T-Pixelarchitektur ist in der wissenschaftlichen Bildgebung weit verbreitet, aber die Auswahl an DR-Erweiterungstechniken ist immernoch stark begrenzt.

Eine bereits gut erprobte Technik zur Erhöhung der DR ist die Mehrfachbelichtung, zusätzliche Schaltkreise sind dafür nicht erforderlich. Bei der Doppelbelichtung werden zwei Bilder mit unterschiedlichen Integrationszeiten Tlong und Tshort aufgenommen, wobei die DR-Erweiterung Tlong/Tshort entspricht. Dabei gibt es eine signal-to-noise ratio Absenkung (SNR) in Bereichen, die der Sättigung in der kurzen Belichtung entsprechen, da das Fotosignal dabei nur für einen Bruchteil der gesamten Integrationszeit abgetastet wird. Die Verwendung mehrerer kürzerer Integrationen kann den resultierenden SNR Einbruch verringern.

Bei einem nondestructive readout (NDR) wird das Signal viele Male während der Integrationszeit abgetastet. Der CIS wird mit einer up-the-ramp Abtastung ausgelesen, was für IR-Photodioden-Arrays zur DR Erhöhung und zur Unterdrückung kosmischer Strahlung weit verbreitet ist.

Nun haben Thomas Wocial et al. ein Ausleseschema für CMOS-Bildsensoren vorgestellt, mit dem sich prinzipiell eine beliebig hohe Dynamic Range (HDR) erreichen lässt, und zwar ohne einen neuen Sensor zu entwickeln.

INNOVATION

Verwendet wurde ein CIS115, für welchen eine zeilenweise kodierte Belichtung implementiert wurde. Dabei konnte eine Erhöhung der DR von 73,6 auf 107,6 dB erzielt werden, was einer Erhöhung um fast 50% entspricht! Ausserdem wurde die signal-to-noise ratio (PSNR) von 42,9 auf 59,9 dB gesteigert. Beides beachtliche Werte!

"Die Nützlichkeit dieses Verfahrens wird dadurch demonstriert, dass die lineare full well capacity (FWC) in "Kalibrierungs"-Regionen mit hohem Signalgehalt mit einer verschachtelten Auslesereihenfolge um das 50-fache erweitert wurde, während das Grundrauschen in "Research"-Regionen mit niedrigem Signalgehalt mit einer Einzelauslese unverändert blieb." (Abstract from the paper "A Method to Achieve High Dynamic Range in a CMOS Image Sensor Using Interleaved Row Readout")

Somit kann die DR durch mehrmaliges Auslesen einer Zeile beliebig erweitert werden, ohne das Rauschverhalten negativ zu beeinflussen. Dieses Schema führte dabei unter anderem auch zu einer Erhöhung der Zentriergenauigkeit in Regionen mit niedrigem Signalpegel aufgrund des einmaligen Auslesens, während die lineare FWC durch mehrfaches Auslesen erweitert wurde. Die Reihenfolge der Zeilenauslesung muss dabei im Voraus festgelegt werden, denn nur so eignet sie sich auch für Szenen mit geringen zeitlichen Schwankungen.

Im Ergebnis ist der erzielte Erweiterungsbereich der DR nicht hardwarebasiert und kann daher auf ein benutzerdefiniertes Niveau erhöht werden, dies allerdings auf Kosten einer längeren Mindestintegrationszeit.

Würde man gemäß der Ergebnisse des Artikels die Anzahl der Reset- und Leseproben von 50 auf 200 erhöhen, würde die in dem Artikel gezeigte DR-Erweiterung auf 120 dB erreicht werden.

Die Zukunft der digitalen Kameras benötigt also noch nicht zwingend neue Sensoren mit neuen Technologien, bereits durch Ändern des Read-Outs ist eine signifikante Steigerung der DR möglich. Fraglich bleibt bei welchen Abtastraten welche Steigerung erreicht werden kann. Ebenso fehlen noch praxisnahe Versuche, aber der Proof ist bereits erbracht.

Ich persönlich arbeite seit über 10 Jahren an und mit bildgebenden Verfahren und bin täglich mit Engpässen für elektronische Bauelemente konfrontiert. Mit Hilfe dieser Methode können besonders für zeitritische und wissenschaftliche Anwendungen, zB. in der Astronomie, enorme Steigerungen der DR erzielt werden. Es bleibt abzuwarten ob und wie diese Methode auch von Cine-Kamera Herstellern auf- und angenommen wird.


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