何为HDR，如何实现HDR

前言

本文主要介绍HDR相关技术与知识

一、 HDR 原理介绍

1.什么是动态范围（dynamic range）：

动态范围是衡量sensor在一幅图像里能够同时体现高光和阴影部分内容的能力，用公式表达这种能力就是：

$DR=20log10（i_{max}/i_{min});//dB$

i_max ：sensor的最大不饱和电流
i_min：sensor的底电流（blacklevel）
Qsat：Well Capacity idc:底电流
tint：曝光时间
$\sigma$：噪声

2.HDR在成像领域的目的：

将图像高光处保留细节，同时提高欠曝部分的信噪比，从而使得人眼角度来看，暗和亮的部分都能看到更多细节。

一般认为HDR为60dB以上，实际图像对比度达到1000：1
人眼：100dB
普通sensor：60dB
高端sensor：70dB
自然环境：200dB

当sensor的动态范围小于图像场景动态范围的时候就会出现HDR问题----不是暗处看不清，就是亮处看不清，有的甚至两头都看不清。

3.解决HDR的方法

从HDR的本质来看是为了提高DR来获取更高动态范围，根据动态范围公式：
$DR=20log10（i_{max}/i_{min});//dB$
可知想提高DR，就是提高i_max，减小 i_min；

3.1，提高sensor感光度

对于10bit输出的sensor,从数学上来说，i_max =1023，i_min =1；
动态范围DR = 60；
对于12bit输出的sensor， DR = 72；

提高sensor感光井(可解决一定程度的电子转移串扰)，但这会导致sensor的成本增加，同时FPN(Fix pattern noise)会增加，有效带宽增加对后续ISP处理困难，且仍达不到自然场景下的动态范围（200dB）

3.2多帧融合

通过连续曝光，分别长短曝光，输出多张图片并融合，当问题静止时效果较好，但画面有运动物体时会产生很多artefacts。也有视频采用这种策略，先采集60fps视频，融合后输出30fps的HDR视频。

3.3单帧空间HDR

大多基于DOL长短曝光时间比以实现动态范围扩展
以两曝光DOL 为例
$Exposureratio=Longexposuretime/shortexposuretime$
假设Exposure ratio = 16，假设在xinhao 没有饱和的条件下，相当于曝光最大值增大了16倍：2^4。也就是动态范围扩大了4个bit。

3.31 BME HDR(Binning Multiplexed Exposure HDR)
CMOS sensor曝光是基于行曝光的，曝光时分为长曝光行，短曝光行，通过择优选择实现HDR。这种方法不会影响成像帧率，但垂直分辨率会减半且仍存在鬼影。

3.32SME HDR(Spatially Multiplexed Exposure HDR)
采用同行像素不同曝光，通过sony特殊算法实现的HDR。能实现全分辨率HDR输出，但插值算法复杂，运算量较大。

总结

HDR（高动态范围）技术旨在解决图像中高光与阴影细节同时呈现的问题。在为了获取HDR效果时，还要关注成本，性能等方面，成像效果属于更加主观的，在实际生产中符合更多人偏向即可。

参考文献:
https://www.cnblogs.com/wujianming-110117/p/12684011.html
http://www.360doc.com/content/21/0605/22/30375878_980639579.shtml