隨著索尼Alpha 7 V的上市，其16檔+的圖片動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)了不少中畫(huà)幅相機(jī)。而這個(gè)實(shí)現(xiàn)的原理就是DCG HDR功能，今天我們就來(lái)簡(jiǎn)單講解一下發(fā)展至今的幾代HDR技術(shù)，它們都是如何實(shí)現(xiàn)的。

第一代HDR技術(shù)——Staggered HDR

第一種也是相機(jī)/手機(jī)行業(yè)最早實(shí)現(xiàn)的功能叫做Staggered，簡(jiǎn)單講就是包圍曝光+機(jī)內(nèi)合成，這種方式100%會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影。為了減輕偽影，OmniVision采用一行像素長(zhǎng)曝光一行像素短曝光的方式去實(shí)現(xiàn)Staggered WDR，同時(shí)索尼也有將長(zhǎng)短曝光行進(jìn)行疊加合成的，稱為BME/Interleaved技術(shù)，會(huì)損失一半的空間分辨率。進(jìn)一步的還有SME技術(shù)，以棋盤(pán)格方式進(jìn)行長(zhǎng)短曝光并進(jìn)行合成，分辨率下降的同時(shí)一樣有偽影出現(xiàn)。

比如經(jīng)典的大疆傳家寶OV48C就擁有2種Staggered HDR技術(shù)和行業(yè)首發(fā)的DCG HDR模式。實(shí)際操作中這塊傳感器采用的是第一行短曝光第二行長(zhǎng)曝光，第二行短曝光第三行長(zhǎng)曝光，第三行短曝光第四行長(zhǎng)曝光這樣的片上行交織進(jìn)行HDR拍攝。

但Staggered HDR技術(shù)本質(zhì)上就是拍攝兩次進(jìn)行曝光合成，所以動(dòng)態(tài)范圍“夠用”的相機(jī)傳感器就懶得在傳感器層面去實(shí)現(xiàn)其功能。因?yàn)橹灰巧杂屑夹g(shù)能力的風(fēng)光攝影師就能手動(dòng)拍攝出類似的效果，沒(méi)有必要為了動(dòng)態(tài)范圍去增加拍出殘影的可能性。而在視頻領(lǐng)域，ZCAM E2有使用這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)的HDR視頻功能，還是很有療效的。

最后總結(jié)一下，第一代HDR技術(shù)Staggered能夠比較大幅度增加動(dòng)態(tài)范圍，但需要經(jīng)歷兩次曝光，會(huì)不可避免的出現(xiàn)殘影。

第二代HDR技術(shù)——DCG HDR/DGO

無(wú)論是DCG HDR還是DGO都基于雙原生感光度，它們只是名稱不同，索尼稱它為Dual Concersion Gain，三星稱其為IDCG/Smart ISO-pro，OmniVision也有稱它為SCG。

雙原生感光度就是設(shè)計(jì)兩個(gè)不同幅度的模擬信號(hào)放大電路，讓傳感器有2個(gè)原生感光度點(diǎn)，一個(gè)低一個(gè)高。此時(shí)你增加感光度到高轉(zhuǎn)換增益點(diǎn)時(shí)，畫(huà)面噪點(diǎn)數(shù)量就會(huì)大幅度的降低，然后再逐級(jí)增加。當(dāng)然如果你愿意的話，也可以“三原生感光度”甚至更多，設(shè)計(jì)難度就會(huì)更復(fù)雜成本也會(huì)更高。目前佳能EOS R1/EOS C80就擁有三原生感光度功能。

在傳感器上擁有了兩套不同放大電路后，就可以依靠這兩套放大電路對(duì)一次成像進(jìn)行兩個(gè)不同增益值的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將兩個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行曝光合成，就成為了一張高動(dòng)態(tài)范圍的圖像了。

如果你還不能理解的話，就是快門(mén)速度和光圈值不變的前提下，ISO100拍一張照片，再I(mǎi)SO800拍一張照片，通過(guò)修圖軟件將這兩張照片進(jìn)行HDR合成。而DCG HDR/DGO功能只需要拍一次就在傳感器端完成了所有步驟，無(wú)需你去操作。相比于Staggered HDR，DCG HDR/DGO功能妙就妙在只曝光一次即可，所以沒(méi)有了殘影出現(xiàn)的可能性。

但是DCG HDR/DGO的缺點(diǎn)也在于此，因?yàn)橹黄毓庖淮嗡栽黾拥膭?dòng)態(tài)范圍程度不如Staggered HDR，能在原先基礎(chǔ)上增加兩檔已經(jīng)是謝天謝地了。但對(duì)于本來(lái)就動(dòng)態(tài)范圍強(qiáng)大的大尺寸相機(jī)傳感器來(lái)說(shuō)，平白增加兩檔那真的是非常非常好的技術(shù)。

DCG HDR/DGO只能機(jī)械快門(mén)中使用么？

目前照相機(jī)和攝像機(jī)領(lǐng)域，擁有這方面技術(shù)的產(chǎn)品不多，無(wú)論是松下LUMIX S1M2/G9M2/GH7還是索尼Alpha 7 V都是只能在機(jī)械快門(mén)下才能自動(dòng)開(kāi)啟DCG HDR功能。而松下LUMIX S1M2/GH7在視頻拍攝時(shí)如果要開(kāi)啟高動(dòng)態(tài)范圍模式的話，就需要犧牲一半幀率且讀出速度變慢1.5倍左右。那么電子快門(mén)就不能使用DCG HDR/DGO技術(shù)么？非也。

手機(jī)領(lǐng)域基本都沒(méi)有機(jī)械快門(mén)，但它們依然可以使用DCG HDR/DGO技術(shù)。不止如此，在最近兩年里手機(jī)傳感器在HDR技術(shù)中展開(kāi)了激烈的軍備競(jìng)賽。不止是使用DCG HDR，甚至還用上了TCG HDR（單次曝光三原生感光度融合），還在這個(gè)基礎(chǔ)上疊加使用Staggered HDR，再進(jìn)行3-4幀的多重曝光融合。

這直接導(dǎo)致了2023年首發(fā)OmniVision OV50H的小米14系列宣稱動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)13.5EV。幾個(gè)月后首發(fā)索尼LYT-900的OPPO Find X7 Ultra宣稱動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到14EV。兩個(gè)月后榮耀Magic6至臻版首發(fā)了OmniVision OV50K，使用Lofic技術(shù)將動(dòng)態(tài)范圍提高到15EV。至今在動(dòng)態(tài)范圍方面的“軍備競(jìng)賽”依然沒(méi)有結(jié)束的痕跡，華為攜手思特威首發(fā)國(guó)產(chǎn)一英寸傳感器，同樣使用Lofic技術(shù)將動(dòng)態(tài)范圍提高到16+EV。

所以DCG HDR/DGO技術(shù)不僅可以在電子快門(mén)下使用，還可以疊加第一代HDR技術(shù)獲得更多動(dòng)態(tài)范圍。只是相機(jī)行業(yè)因?yàn)閭鞲衅髯銐虼笏詻](méi)有那么大的必要。

第三代HDR技術(shù)——Lofic

上文提到了Lofic技術(shù)就是目前將會(huì)成為第三代的HDR技術(shù)，并且還可以與前兩代HDR疊加使用。今年這項(xiàng)技術(shù)很可能將會(huì)在國(guó)產(chǎn)手機(jī)行業(yè)迅速普及開(kāi)來(lái)。

LOFIC即橫向溢出積分電容技術(shù)，其核心在于為圖像傳感器中的每個(gè)光電二極管配備一個(gè)高密度電容。當(dāng)光線強(qiáng)度過(guò)高導(dǎo)致光電二極管產(chǎn)生過(guò)多光電子時(shí)，超出承載能力的部分將被引導(dǎo)至相鄰電容中儲(chǔ)存，而非因飽和而流失。這一機(jī)制有效避免了強(qiáng)光區(qū)域的過(guò)曝問(wèn)題，使傳感器能夠更完整地記錄場(chǎng)景中的高光信息，最終輸出的圖像在光影還原上更加真實(shí)自然，接近人眼所見(jiàn)的實(shí)際效果。

DCG HDR/DGO的原理相當(dāng)于一次曝光讀出了兩張照片，而LOFIC的原理相當(dāng)于有一大一小兩個(gè)水杯在接水。后者設(shè)計(jì)難度更大，同時(shí)要考驗(yàn)芯片設(shè)計(jì)能力和算法調(diào)節(jié)，但上限更高。目前來(lái)看LOFIC技術(shù)已經(jīng)非常的喪心病狂，實(shí)拍中對(duì)比度被拉的非常平整，高光被徹底的保護(hù)住了，但缺乏了一點(diǎn)影調(diào)感。但這就像RAW文件那樣，高動(dòng)態(tài)范圍我可以不用，但你不能沒(méi)有。看下來(lái)Lofic技術(shù)比較大的問(wèn)題除了圖像傳感器設(shè)計(jì)難度大以外，還會(huì)影響極限成像清晰度，不過(guò)我覺(jué)得在小傳感器上追求極致分辨率本來(lái)就是個(gè)偽命題。

還有哪些HDR手段？

在我查資料的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)HDR的實(shí)現(xiàn)方式在業(yè)內(nèi)有相當(dāng)多，我們文章里提到的三代HDR技術(shù)外還有好多種。我就簡(jiǎn)單給大家介紹一下目前被提出來(lái)的所有HDR方案，當(dāng)然我也并不是這方面研究者，看著也是有點(diǎn)云里霧里。

Lin-Log模式是讓像素具備Log響應(yīng)曲線，壓縮輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這個(gè)和視頻的Log曲線不同，是硬件層面的，曾經(jīng)有一家叫做NIT的法國(guó)公司生產(chǎn)過(guò)帶這個(gè)技術(shù)的圖像處理器，但沒(méi)有成為主流。OmniVision除了提出了DCG以外還提出過(guò)Split-Diode模式，將像素的光敏區(qū)劃分稱高敏感和低敏感兩種。最后就是引入空穴載流子的Complementary Carrier模式，性能與Lofic一樣都非常可怕，目前還沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)商品化的圖像傳感器。

最后做個(gè)總結(jié)，前兩代HDR技術(shù)主要增加的是暗部動(dòng)態(tài)范圍，第三代Lofic技術(shù)核心保證高光動(dòng)態(tài)范圍。第二代DCG技術(shù)雖然增加動(dòng)態(tài)范圍程度不夠大但副作用幾乎沒(méi)有，而其他兩代都有一定副作用。這三代技術(shù)有機(jī)會(huì)疊加使用，效果可以累加，讓“指甲蓋”傳感器得到全畫(huà)幅傳感器級(jí)別的動(dòng)態(tài)范圍。

以上就是我簡(jiǎn)單的一些科普，希望大家能喜歡。