什麼是高動態範圍？它對車用相機為何如此重要？

在我們先前的部落格文章《如何為戶外AMR和無人駕駛車輛選擇最佳車用相機》中，我們分享了為戶外自動駕駛車輛選擇攝影機時需要考慮的關鍵因素。HDR高動態範圍是這七個關鍵因素之一。在這篇文章中，我們將深入探討HDR對車用相機的重要性、其工作原理以及oToBrite如何應對戶外車輛應用攝影機的相關挑戰。

什麼是高動態範圍 (HDR)？

想像一下，您正駛出黑暗的隧道，駛入明亮的陽光下。攝影機需要同時捕捉前方明亮的道路和隧道內部的陰影。普通攝影機在這種情況下往往難以應對；明亮的區域可能會變成純白，而隧道內的黑暗區域可能會變成純黑。這時，高動態範圍就派上用場了。

高動態範圍 (HDR) 是一種技術，它允許車用相機同時捕捉明亮區域和黑暗區域的細節，確保不會丟失任何重要資訊。

高動態範圍 (HDR) 如何運作？

簡單來說，高動態範圍使攝影機能夠更接近人眼捕捉的場景。例如，當車輛在夜間行駛時，明亮的頭燈或路燈突然出現在視野中，沒有 HDR 功能的標準攝影機可能會過度曝光這些高光區域，並失去較暗區域的重要細節。這會使系統難以清晰地感知環境並準確評估情況以做出決策。

為了解決這個問題，HDR 技術會以不同的曝光度（有些較亮，有些較暗）快速連續地多次捕捉同一場景。然後，智慧型影像處理演算法將這些拍攝的照片組合成一張最終影像，從每張照片中提取最佳細節，並平衡高光和陰影區域的細節。

因此，即使在光線突然變化的情況下，例如在夜間遇到迎面而來的車燈、反光交通標誌或路燈時，車用相機也能保持均衡且準確的環境視野。

從傳統方式到同步曝光

雖然基本的高動態範圍成像 (HDR) 處理透過組合多次曝光來提升影像細節，但在物體移動時仍面臨挑戰。

傳統的 HDR 成像會以不同的曝光時間捕捉多張影像，然後將它們組合成一張。雖然這種方法適用於靜態場景，但對於車輛和物體不斷移動的汽車應用來說並不理想。由於每次曝光都是按順序進行的，幀之間的快速運動可能會導致運動偽影，物體可能會顯得模糊、重影或扭曲。

現代 HDR 感測器透過同時捕捉多重曝光影像解決了這個問題。憑藉亞像素（分像素）技術，每個像素包含具有不同感光度的大型和小型光電二極體。結合雙轉換增益讀數（高增益和低增益），該感測器能夠同時有效地收集多個曝光級別，從而產生單一線性 HDR 輸出，且無延遲或運動失真。這種同時曝光方法可提供真正的即時 HDR，即使在快速變化的光照條件下也能確保清晰準確的成像，這正是車用相機所需要的。

SDR 和 HDR 有什麼不同？

從根本上講，標準動態範圍 (SDR) 捕捉的光線範圍有限，這會導致明亮區域過度曝光，而暗部區域細節丟失，使其在高光條件下的效果較差。另一方面，高動態範圍 (HDR) 捕捉的光線範圍更廣，通常使用多重曝光或先進的像素設計，從而同時保留明暗區域的細節。

如何測量高動態範圍？

在車用相機感測器中，動態範圍通常以分貝 (dB) 為單位，它表示感測器能夠捕捉到的最亮光線和最暗光線之間的比率。 dB 值越高，表示感測器能夠處理更極端的光照差異而不會失去細節。動態範圍（以 dB 為單位）可以使用以下公式計算：

這裡的Signalmax 指的是感測器在不過曝的情況下能夠偵測到的最強光，而 Signalmin 指的是在雜訊之上能夠偵測到的最弱訊號。

有趣的是，您是否想過，為什麼人們常說攝影機是「車輛的眼睛」？原因在於人眼能夠感知大約 100 dB 的動態範圍，使我們能夠同時看到明亮的陽光和濃重的陰影。在汽車應用中，攝影機感測器也必須達到至少 120 dB 的動態範圍。它們的高動態範圍性能在極端條件下能夠超越人眼，確保車輛始終能夠清晰安全地「看」到路況。

高動態範圍對車載攝影機為何如此重要？

1. 車用相機應用挑戰

高動態範圍 (HDR) 對車用相機而言是一項非常重要的功能，因為這些攝影機專為戶外車輛應用而設計，在戶外車輛應用中，它們面臨著諸多挑戰，例如從白天到夜晚、從明亮的陽光到濃霧、從陰暗的街道到反光的濕滑路面等快速變化的光照條件。道路上的其他因素，例如明亮的頭燈和路燈，也會影響攝影機捕捉清晰影像的能力。

為了安全地應對這些情況，車用相機必須能夠同時捕捉明暗細節，為車輛的感知系統提供清晰的視覺資訊。這確保了無論車輛是配備 ADAS 還是完全自動駕駛，系統都能接收到準確可靠的數據進行處理和決策。

閱讀更多： 什麼是 ADAS？先進駕駛輔助系統的功能、感測器與自動駕駛等級說明

2. 高動態範圍在車用相機的關鍵優勢

• 精準的物體偵測：即使在極端或快速變化的光照條件下，也能清楚偵測行人、車輛、交通標誌和障礙物。
• 提升車道和道路可視性：在陰影和強光下都能保持清晰的車道標記和道路細節。
• 在複雜光照條件下增強安全性：能夠應對從黑暗隧道到明亮道路的突然轉換，而不會失去重要的視覺訊息。
• 為 ADAS 和自動駕駛系統提供可靠的輸入：為感知演算法提供一致、高品質的影像，以減少錯誤並改善決策。

歐特明如何確保可靠的圖像性能

在歐特明，每款車用相機都旨在為真實駕駛環境提供最高品質的影像。我們的攝影機主要採用SONY和onsemi的感測器，這兩款感測器均以卓越的低光性能和寬動態範圍而聞名。所有攝影機型號均支援120 dB的高動態範圍，而採用AR0823感測器的攝影機型號甚至可以達到150 dB，即使在極端光照條件下也能確保清晰的影像捕捉。

除了感測器性能之外，歐特明還透過多項內部技術進一步提升影像品質：

• 影像品質調優：精細調整ISP（影像訊號處理器）參數，以優化汽車感知系統的色彩平衡、對比、降噪和HDR色調映射。
• 主動對準設備：精密組裝，確保鏡頭和感測器完美對準，最大限度地減少光學畸變並提高清晰度。
• 內部校準服務：校準攝影機參數以確保精確的幾何和色彩一致性，對於感測器融合和3D感知等應用至關重要。

這些功能使歐特明的相機能夠提供可靠、高品質的影像，滿足自動駕駛汽車、自動駕駛卡車、配送機器人、穿梭巴士等戶外車輛應用的嚴苛要求。

準備好體驗真正的高動態範圍效能了嗎？立即探索全套歐特明相機系統 → 相機篩選器，或如果您需要任何內部服務諮詢，請隨時聯絡我們。

常見問題解答

1. 什麼是動態範圍？
動態範圍是指相機感光元件能夠同時捕捉到的影像中最亮部分和最暗部分之間的比例。

2. 什麼是高動態範圍？
高動態範圍 (HDR) 是一種提升相機動態範圍的技術，使其能夠同時記錄極暗和極亮區域的細節。

3. 高動態範圍對眼睛有益嗎？
高動態範圍本身並不直接影響人眼視力。它是一種捕捉或顯示更寬亮度範圍影像的技術，使視覺效果看起來更自然、更細膩。

4. 高動態範圍 (HDR) 在相機、電視和智慧型手機上是否相同？
人們常常想知道 HDR 在所有設備中的運作方式是否相同。但答案是否定的；其原理相似（捕捉或顯示更寬的亮度範圍），但具體實現方式因感測器、顯示器和處理流程而異。

5. 僅靠 HDR 就能確保良好的影像品質嗎？
不是。雖然 HDR 能夠透過保留明亮和黑暗區域的細節，顯著提升極端光照場景下的可視性，但它只是整體影像品質的一個因素。其他因素，例如感測器解析度、低光性能、鏡頭品質和影像訊號處理器，對於生成清晰、銳利和準確的影像也起著至關重要的作用。