Dinamiskais diapazons, attiecība starp maksimālo un minimālo izmērāmo gaismas intensitāti, ir būtisks attēla un displeja tehnoloģiju aspekts. Pikseļu tehnoloģijas sasniegumiem ir bijusi galvenā loma, ievērojami uzlabojot mūsdienu attēlveidošanas sistēmu un displeju dinamiskā diapazona iespējas. Šajā rakstā ir apskatītas dažādas pikseļu dizaina un apstrādes metodes un jauninājumi, kas veicina uzlabotu dinamisko diapazonu, nodrošinot bagātīgākus, reālistiskākus vizuālos attēlus.
Izpratne par dinamisko diapazonu
Dinamiskais diapazons attiecas uz sistēmas spēju vienlaikus uzņemt vai parādīt gan ļoti gaišas, gan ļoti tumšas ainas. Plašāks dinamiskais diapazons ļauj attēlot vairāk detaļu gan attēla gaišajos, gan ēnās. Bez atbilstoša dinamiskā diapazona vai nu gaišie apgabali tiks pāreksponēti (izskaloti), vai arī tumšie apgabali būs nepietiekami eksponēti (pilnīgi melni), kā rezultātā tiek zaudētas detaļas un sižeta attēlojums būs mazāk reālistisks.
Apsveriet saulrieta fotoattēlu. Zema dinamiskā diapazona kamera varētu labi tvert spilgtās debesis, bet priekšplāna detaļas tumsā pazustu. Un otrādi, ja priekšplāns ir pareizi eksponēts, debesis var izskatīties kā bezkrāsains balts plankums. Tomēr augsta dinamiskā diapazona (HDR) sistēma ar detaļām tvertu gan spilgtās debesis, gan tumšo priekšplānu, tādējādi iegūstot vizuāli pievilcīgāku un precīzāku attēlu.
Dinamiskā diapazona mērījumus bieži izsaka decibelos (dB) vai kā attiecību. Augstāka dB vērtība vai lielāka attiecība norāda uz lielāku dinamiskā diapazona spēju.
Pikseļu arhitektūra un dinamiskais diapazons
Atsevišķu pikseļu dizains un arhitektūra būtiski ietekmē attēlu sensora vai displeja kopējo dinamisko diapazonu. Tiek izmantotas vairākas metodes, lai maksimāli palielinātu gaismas daudzumu, ko katrs pikselis spēj apstrādāt, un samazinātu troksni, tādējādi uzlabojot dinamisko diapazonu.
Pikseļu izmērs un pilna akas ietilpība
Pilna ietilpība (FWC) attiecas uz maksimālo elektronu skaitu, ko pikselis var uzglabāt, pirms tas kļūst piesātināts. Lielākiem pikseļiem parasti ir augstāks FWC, ļaujot tiem uztvert vairāk gaismas un tādējādi palielināt dinamisko diapazonu. Tomēr pikseļu izmēra palielināšana var samazināt attēla izšķirtspēju, tāpēc ir jāpanāk līdzsvars.
Mazāki pikseļi bieži cieš no zemāka FWC, kas var ierobežot dinamisko diapazonu. Inovatīvi dizaini, piemēram, aizmugurējā apgaismojuma (BSI) sensori, mazina šo problēmu, uzlabojot gaismas uztveršanas efektivitāti.
Galu galā mērķis ir maksimāli palielināt gaismas daudzumu, ko katrs pikselis var uztvert, neradot pārmērīgu troksni vai nezaudējot izšķirtspēju.
Uzlādes pārsūtīšanas un nolasīšanas metodes
Tas, kā lādiņš tiek pārsūtīts no pikseļa uz nolasīšanas shēmu, ietekmē arī dinamisko diapazonu. Efektīva uzlādes pārnešana samazina uzlādes zudumu un samazina troksni, kas abi veicina lielāku dinamisko diapazonu.
Korelētā dubultā paraugu ņemšana (CDS) ir izplatīta metode, ko izmanto, lai samazinātu atiestatīšanas troksni CMOS attēla sensoros. Mērot pikseļu spriegumu pirms un pēc ekspozīcijas, CDS efektīvi novērš atiestatīšanas troksni, tādējādi nodrošinot tīrāku signālu un uzlabotu dinamisko diapazonu.
Citas uzlabotas nolasīšanas metodes, piemēram, vairākkārtēja paraugu ņemšana un vidējā noteikšana, var vēl vairāk samazināt troksni un uzlabot dinamisko diapazonu.
Augsts reklāmguvumu pieauguma pikseļi
Augsta konversijas pastiprinājuma (HCG) pikseļi pārvērš nelielu skaitu elektronu par lielāku sprieguma signālu. Tas palielina pikseļa jutību, ļaujot tam tvert vairāk detaļu vāja apgaismojuma apstākļos. Lai gan HCG pikseļi var uzlabot dinamisko diapazonu apakšējā daļā, tie var vieglāk piesātināties spilgtā gaismā.
Divkāršā konversijas pastiprinājuma paņēmieni, kuros pikseļi var pārslēgties starp zemu konversijas pastiprinājumu (LCG) spilgtām ainām un HCG tumšām ainām, piedāvā plašāku dinamisko diapazonu, optimizējot veiktspēju dažādos apgaismojuma apstākļos.
Šī adaptīvā pieeja ļauj detalizēti tvert gan gaišos, gan tumšos apgabalus, tādējādi iegūstot reālistiskāku un līdzsvarotāku attēlu.
Dinamiskā diapazona uzlabošanas paņēmieni
Papildus pikseļu līmeņa uzlabojumiem tiek izmantotas vairākas attēlu apstrādes metodes, lai vēl vairāk uzlabotu dinamisko diapazonu.
Augsta dinamiskā diapazona (HDR) attēlveidošana
HDR attēlveidošana ietver vairāku vienas ainas attēlu uzņemšanu dažādos ekspozīcijas līmeņos un pēc tam to apvienošanu, lai izveidotu vienu attēlu ar plašāku dinamisko diapazonu. Tas ļauj tvert detaļas gan spilgtākajās, gan tumšākajās ainas zonās.
Pēc tam tiek izmantoti toņu kartēšanas algoritmi, lai augsta dinamiskā diapazona attēlu saspiestu zemāka dinamiskā diapazona formātā, kas piemērots attēlošanai standarta ekrānos. Šo algoritmu mērķis ir saglabāt sākotnējās ainas detaļas un kontrastu, vienlaikus iekļaujot displeja ierobežojumus.
HDR tagad plaši izmanto fotogrāfijā, videogrāfijā un displeja tehnoloģijās, lai radītu reālistiskākus un vizuāli pievilcīgākus attēlus.
Vietējā toņu kartēšana
Vietējie toņu kartēšanas algoritmi neatkarīgi pielāgo dažādu attēla reģionu spilgtumu un kontrastu. Tas ļauj uzlabot detaļas gan gaišajos, gan tumšajos apgabalos, neietekmējot kopējo attēla līdzsvaru.
Šie algoritmi bieži analizē katra reģiona vietējo kontrastu un spilgtumu un izmanto toņu kartēšanas līkni, kas ir optimizēta konkrētajam apgabalam. Tas var radīt dabiskāku un detalizētāku attēlu, salīdzinot ar globālās toņu kartēšanas metodēm.
Vietējā toņu kartēšana ir īpaši noderīga sižetiem ar augstu kontrastu, kur globālā toņu kartēšana var izraisīt pārmērīgu apgaismojumu vai nepietiekami eksponētas ēnas.
Logaritmiskā pastiprināšana
Logaritmiskā pastiprināšana logaritmiskā veidā saspiež signālu no pikseļa. Tas ļauj tvert plašāku gaismas intensitātes diapazonu bez piesātinājuma. Pēc tam apstrādes laikā logaritmiskais signāls tiek atspiests, lai atjaunotu sākotnējās spilgtuma vērtības.
Šī metode ir īpaši noderīga zinātniskās attēlveidošanas lietojumos, kur nepieciešams ļoti plašs dinamiskais diapazons.
Saspiežot signālu, logaritmiskā pastiprināšana ļauj vienlaikus uztvert gan ļoti vājus, gan ļoti spilgtus signālus.
Temporālā pārtveršana
Temporālā pārtveršana ietver vairāku vienas un tās pašas ainas kadru tveršanu pēc kārtas un pēc tam to vidējo veidošanu kopā. Tas samazina troksni un palielina sensora efektīvo dinamisko diapazonu.
Vidēji nosakot vairākus kadrus, tiek samazināts nejaušs troksnis, kā rezultātā tiek iegūts tīrāks signāls un uzlabota attēla kvalitāte.
Šis paņēmiens ir īpaši noderīgs vāja apgaismojuma apstākļos, kur troksnis var būt nopietna problēma.
Displeja tehnoloģijas un dinamiskais diapazons
Displeja tehnoloģiju dinamiskais diapazons ir tikpat svarīgs kā attēlveidošanas sensoru diapazons. Displeja tehnoloģijas ar lielāku dinamisko diapazonu var reproducēt attēlus ar lielāku reālismu un detaļām.
OLED displeji
Organisko gaismas diožu (OLED) displeji piedāvā lielisku dinamisko diapazonu, jo tie spēj individuāli kontrolēt katra pikseļa spilgtumu. Tas ļauj iegūt patiesus melnos toņus un ļoti spilgtus gaišos punktus, kā rezultātā tiek nodrošināta augsta kontrasta attiecība un plašs dinamiskais diapazons.
OLED displejiem ir arī ļoti ātrs reakcijas laiks, kas samazina kustības izplūšanu un uzlabo kopējo skatīšanās pieredzi.
Iespēja pilnībā izslēgt atsevišķus pikseļus ir galvenā OLED tehnoloģijas priekšrocība dinamiskā diapazona ziņā.
LCD displeji ar lokālo aptumšošanu
Šķidro kristālu displeja (LCD) tehnoloģija var arī sasniegt augstu dinamisko diapazonu, izmantojot vietējo aptumšošanu. Vietējā aptumšošana ietver fona apgaismojuma sadalīšanu vairākās zonās un katras zonas spilgtuma regulēšanu neatkarīgi. Tas ļauj iegūt tumšākus melnos toņus un spilgtākus gaišos punktus, kā rezultātā tiek nodrošināta augstāka kontrasta attiecība un uzlabots dinamiskais diapazons.
Vietējās aptumšošanas efektivitāte ir atkarīga no zonu skaita un precizitātes, ar kādu var kontrolēt katras zonas spilgtumu.
Lai gan LCD displeji ar lokālu aptumšošanu var sasniegt labu dinamisko diapazonu, šajā ziņā tie parasti nav tik labi kā OLED displeji.
MicroLED displeji
MicroLED displeji ir jauna displeja tehnoloģija, kas piedāvā vēl lielāku dinamisko diapazonu nekā OLED displeji. MicroLED ir mazas gaismas diodes, kuras var individuāli kontrolēt, līdzīgi kā OLED. Tomēr MicroLED ir spilgtāki un efektīvāki nekā OLED, un tie necieš no tādām pašām iedegšanas problēmām.
MicroLED displeji joprojām ir izstrādes sākuma stadijā, taču paredzams, ka tuvākajos gados tie kļūs par galveno spēlētāju displeju tirgū.
Augsta spilgtuma, augstas efektivitātes un atsevišķu pikseļu kontroles kombinācija padara MicroLED par daudzsološu tehnoloģiju ļoti augsta dinamiskā diapazona sasniegšanai.
Bieži uzdotie jautājumi
Kas ir dinamiskais diapazons attēlveidošanā?
Dinamiskais diapazons ir attiecība starp maksimālo un minimālo izmērāmo gaismas intensitāti, ko attēlveidošanas sistēma var uztvert vai displejs var reproducēt. Plašāks dinamiskais diapazons nozīmē, ka vairāk detaļu var redzēt gan attēla gaišajos, gan tumšajos apgabalos.
Kā pikseļu lielums ietekmē dinamisko diapazonu?
Lielākiem pikseļiem parasti ir lielāka pilnas akas ietilpība, ļaujot tiem uztvert vairāk gaismas un tādējādi palielināt dinamisko diapazonu. Mazākiem pikseļiem bieži ir mazāka pilnas iedobes ietilpība, kas var ierobežot dinamisko diapazonu. Novatoriski dizaini, piemēram, aizmugures apgaismojums, var palīdzēt to mazināt.
Kas ir HDR attēlveidošana?
HDR (High Dynamic Range) attēlveidošana ietver vairāku vienas ainas attēlu uzņemšanu dažādos ekspozīcijas līmeņos un to apvienošanu, lai izveidotu vienu attēlu ar plašāku dinamisko diapazonu. Tas ļauj tvert detaļas gan spilgtākajās, gan tumšākajās ainas zonās.
Kā OLED displeji uzlabo dinamisko diapazonu?
OLED (Organic Light-Emitting Diode) displeji piedāvā lielisku dinamisko diapazonu, jo katru pikseli var kontrolēt atsevišķi. Tas nodrošina patiesu melno krāsu (izslēgti pikseļi) un ļoti spilgtus izgaismojumus, kā rezultātā tiek nodrošināta augsta kontrasta attiecība un plašs dinamiskais diapazons.
Kādas ir nākotnes tendences dinamiskā diapazona uzlabošanā?
Nākotnes tendences ietver sasniegumus MicroLED displeja tehnoloģijā, turpmākus pikseļu dizaina un nolasīšanas metožu uzlabojumus, kā arī sarežģītāku attēlu apstrādes algoritmu izstrādi HDR un toņu kartēšanai. Šie sasniegumi radīs vēl plašākus dinamiskos diapazonus un reālistiskākus attēlus.
