Dünaamiline ulatus ehk suhe maksimaalse ja minimaalse mõõdetava valguse intensiivsuse vahel on pildi- ja kuvatehnoloogia ülioluline aspekt. Pikslitehnoloogia edusammud on mänginud keskset rolli kaasaegsete pildisüsteemide ja kuvarite dünaamilise ulatuse võimaluste olulisel suurendamisel. Selles artiklis käsitletakse erinevaid pikslite kujundamise ja töötlemise tehnikaid ja uuendusi, mis aitavad parandada dünaamilist ulatust, mille tulemuseks on rikkalikum ja realistlikum visuaal.
Dünaamilise ulatuse mõistmine
Dünaamiline ulatus viitab süsteemi võimele jäädvustada või kuvada üheaegselt nii väga heledaid kui ka väga tumedaid stseene. Laiem dünaamiline ulatus võimaldab esitada rohkem detaile nii pildi eredates kui ka varjudes. Ilma piisava dünaamilise ulatuseta on heledad alad ülevalgustatud (välja pestud) või tumedad alad alasäritatud (täiesti mustad), mille tulemuseks on detailide kadu ja stseeni vähem realistlik esitus.
Mõelge päikeseloojangu fotole. Madala dünaamilise ulatusega kaamera võib eredat taevast hästi jäädvustada, kuid esiplaani detailid lähevad pimeduses kaduma. Vastupidi, kui esiplaan on korralikult eksponeeritud, võib taevas paista ilmetu valge laigina. Suure dünaamilise ulatusega (HDR) süsteem jäädvustaks aga detailselt nii ereda taeva kui ka tumeda esiplaani, mille tulemuseks on visuaalselt atraktiivsem ja täpsem pilt.
Dünaamilise ulatuse mõõtmist väljendatakse sageli detsibellides (dB) või suhtena. Kõrgem dB väärtus või suurem suhe näitab suuremat dünaamilise ulatuse võimekust.
Piksli arhitektuur ja dünaamiline ulatus
Üksikute pikslite disain ja arhitektuur mõjutavad oluliselt pildianduri või kuvari üldist dünaamilist ulatust. Iga pikseliga toimetuleva valguse hulga maksimeerimiseks ja müra minimeerimiseks, parandades seeläbi dünaamilist ulatust, kasutatakse mitmeid tehnikaid.
Pikslite suurus ja täismahutavus
Täiskaevu maht (FWC) viitab maksimaalsele elektronide arvule, mida piksel saab salvestada enne, kui see küllastub. Suurematel pikslitel on üldiselt kõrgem FWC, mis võimaldab neil püüda rohkem valgust ja suurendab seega dünaamilist ulatust. Piksli suuruse suurendamine võib aga vähendada pildi eraldusvõimet, seega tuleb leida tasakaal.
Väiksemad pikslid kannatavad sageli madalama FWC-ga, mis võib piirata dünaamilist ulatust. Uuenduslikud disainilahendused, nagu tagakülje valgustuse (BSI) andurid, leevendavad seda probleemi, parandades valguse püüdmise tõhusust.
Lõppkokkuvõttes on eesmärk maksimeerida valguse hulka, mida iga piksel suudab jäädvustada, ilma liigset müra tekitamata või eraldusvõimet ohverdamata.
Laengu edastamise ja lugemise tehnikad
Dünaamilist ulatust mõjutab ka viis, kuidas laengut pikslilt näiduahelasse kantakse. Tõhus laenguülekanne minimeerib laadimiskadu ja vähendab müra, mis mõlemad aitavad kaasa suuremale dünaamilisele ulatusele.
Korreleeritud kahekordne diskreetimine (CDS) on levinud meetod CMOS-pildiandurite lähtestamise müra vähendamiseks. Mõõtes pikslite pinget enne ja pärast säritust, kustutab CDS tõhusalt lähtestamise müra, mille tulemuseks on puhtam signaal ja parem dünaamiline ulatus.
Muud täiustatud lugemistehnikad, nagu mitmekordne diskreetimine ja keskmistamine, võivad müra veelgi vähendada ja dünaamilist ulatust suurendada.
Suure konversioonivõimenduse pikslid
Suure konversioonivõimenduse (HCG) pikslid muudavad väikese arvu elektrone suuremaks pingesignaaliks. See suurendab piksli tundlikkust, võimaldades vähese valgusega tingimustes rohkem detaile jäädvustada. Kuigi HCG pikslid võivad alumisel otsal dünaamilist ulatust parandada, võivad need eredas valguses kergemini küllastuda.
Kahekordse konversioonivõimenduse tehnikad, kus piksel saab lülituda heledate stseenide jaoks madala konversioonivõimenduse (LCG) ja tumedate stseenide HCG vahel, pakuvad laiemat dünaamilist ulatust, optimeerides jõudlust erinevates valgustingimustes.
See adaptiivne lähenemine võimaldab jäädvustada nii heledaid kui ka tumedaid alasid üksikasjalikult, mille tulemuseks on realistlikum ja tasakaalustatum pilt.
Dünaamilise ulatuse suurendamise tehnikad
Lisaks pikslitaseme täiustustele kasutatakse dünaamilise ulatuse edasiseks suurendamiseks mitmeid pilditöötlustehnikaid.
Suure dünaamilise ulatusega (HDR) pildistamine
HDR-pildistamine hõlmab samast stseenist mitme pildi jäädvustamist erinevatel säritustasemetel ja nende kombineerimist, et luua üks laiema dünaamilise ulatusega pilt. See võimaldab jäädvustada detaile nii stseeni heledaimates kui ka tumedaimates kohtades.
Seejärel kasutatakse toonide kaardistamise algoritme, et tihendada suure dünaamilise ulatusega kujutist madalama dünaamilise ulatusega vormingusse, mis sobib kuvamiseks tavalistel ekraanidel. Nende algoritmide eesmärk on säilitada algse stseeni üksikasjad ja kontrastsus, jäädes samal ajal kuva piirangutesse.
HDR-i kasutatakse nüüd laialdaselt fotograafias, videograafias ja kuvatehnoloogias, et luua realistlikumaid ja visuaalselt atraktiivsemaid pilte.
Kohalik toonide kaardistamine
Kohalikud toonide kaardistamise algoritmid reguleerivad pildi erinevate piirkondade heledust ja kontrasti sõltumatult. See võimaldab täiustada detaile nii heledates kui ka tumedates piirkondades, ilma et see mõjutaks pildi üldist tasakaalu.
Need algoritmid analüüsivad sageli iga piirkonna kohalikku kontrasti ja heledust ning rakendavad selle konkreetse piirkonna jaoks optimeeritud toonide kaardistamise kõverat. Selle tulemuseks võib olla loomulikum ja üksikasjalikum pilt võrreldes globaalsete toonide kaardistamise tehnikatega.
Kohalik toonide kaardistamine on eriti kasulik suure kontrastsusega stseenide puhul, kus globaalse toonide kaardistamise tulemuseks võivad olla kas ülevalgustatud eredad või alasäritatud varjud.
Logaritmiline võimendus
Logaritmiline võimendus surub pikslist saadava signaali logaritmiliselt kokku. See võimaldab jäädvustada suuremat vahemikku valguse intensiivsusest ilma küllastuseta. Seejärel dekompresseeritakse logaritmiline signaal töötlemise ajal algsete heleduse väärtuste taastamiseks.
See tehnika on eriti kasulik teaduslikes pilditöötlusrakendustes, kus on vaja väga laia dünaamilist ulatust.
Signaali kokkusurumisel võimaldab logaritmiline võimendus üheaegselt tabada nii väga nõrku kui ka väga eredaid signaale.
Ajaline ülevalimine
Ajaline ülediskreetimine hõlmab sama stseeni mitme kaadri kiiret järjestikust jäädvustamist ja seejärel nende koos keskmistamist. See vähendab müra ja suurendab anduri efektiivset dünaamilist ulatust.
Mitme kaadri keskmistamisega vähendatakse juhuslikku müra, mille tulemuseks on puhtam signaal ja parem pildikvaliteet.
See tehnika on eriti kasulik vähese valgusega tingimustes, kus müra võib olla oluline probleem.
Kuvamistehnoloogiad ja dünaamiline ulatus
Kuvamistehnoloogiate dünaamiline ulatus on sama oluline kui pildiandurite oma. Suurema dünaamilise ulatusega kuvatehnoloogiad suudavad kujutisi taasesitada suurema realistlikkuse ja detailsusega.
OLED-ekraanid
Orgaanilised valgusdioodid (OLED) pakuvad suurepärast dünaamilist ulatust tänu nende võimele iga piksli heledust eraldi juhtida. See võimaldab tõelisi musti ja väga eredaid esiletõstmisi, mille tulemuseks on kõrge kontrastsussuhe ja lai dünaamiline ulatus.
OLED-ekraanidel on ka väga kiire reageerimisaeg, mis vähendab liikumise hägusust ja parandab üldist vaatamiskogemust.
Võimalus üksikuid piksleid täielikult välja lülitada on OLED-tehnoloogia peamine eelis dünaamilise ulatuse osas.
LCD-ekraanid kohaliku hämardamisega
Vedelkristallkuvari (LCD) tehnoloogia võib kohaliku hämardamise abil saavutada ka suure dünaamilise ulatuse. Kohalik hämardamine hõlmab taustvalgustuse jagamist mitmeks tsooniks ja iga tsooni heleduse iseseisvat reguleerimist. See võimaldab tumedamaid musti ja heledamaid esiletõsteid, mille tulemuseks on suurem kontrastsuhe ja parem dünaamiline ulatus.
Kohaliku hämardamise efektiivsus sõltub tsoonide arvust ja täpsusest, millega iga tsooni heledust saab juhtida.
Kuigi kohaliku hämardamisega LCD-ekraanid võivad saavutada hea dünaamilise ulatuse, ei ole need selles osas üldiselt nii head kui OLED-ekraanid.
MicroLED-ekraanid
MicroLED-ekraanid on arenev ekraanitehnoloogia, mis pakub veelgi suuremat dünaamilist ulatust kui OLED-ekraanid. MicroLED-id on pisikesed LED-id, mida saab sarnaselt OLED-idega individuaalselt juhtida. MicroLED-id on aga heledamad ja tõhusamad kui OLED-id ning neil ei esine samu sissepõlemisprobleeme.
MicroLED-ekraanid on alles väljatöötamise algfaasis, kuid lähiaastatel peaks neist saama ekraaniturul suur tegija.
Kõrge heleduse, kõrge efektiivsuse ja üksikute pikslite juhtimise kombinatsioon muudab MicroLED-id paljulubavaks tehnoloogiaks väga suure dünaamilise ulatuse saavutamiseks.
Korduma kippuvad küsimused
Mis on pildistamise dünaamiline ulatus?
Dünaamiline ulatus on suhe maksimaalse ja minimaalse mõõdetava valguse intensiivsuse vahel, mida pildistamissüsteem suudab jäädvustada või ekraan taasesitada. Laiem dünaamiline ulatus tähendab, et pildi heledates ja tumedates kohtades on näha rohkem detaile.
Kuidas piksli suurus mõjutab dünaamilist ulatust?
Suurematel pikslitel on üldiselt suurem täismahutavus, mis võimaldab neil püüda rohkem valgust ja suurendab seega dünaamilist ulatust. Väiksematel pikslitel on sageli väiksem täismahutavus, mis võib piirata dünaamilist ulatust. Uuenduslikud kujundused, nagu tagakülje valgustus, võivad seda leevendada.
Mis on HDR-pildistamine?
HDR (High Dynamic Range) pildistamine hõlmab samast stseenist mitme pildi jäädvustamist erinevatel säritustasemetel ja nende kombineerimist, et luua üks laiema dünaamilise ulatusega kujutis. See võimaldab jäädvustada detaile nii stseeni heledaimates kui ka tumedaimates kohtades.
Kuidas OLED-ekraanid dünaamilist ulatust parandavad?
OLED-ekraanid (orgaanilised valgusdiood) pakuvad suurepärast dünaamilist ulatust, kuna iga pikslit saab eraldi juhtida. See võimaldab tõelisi musti (pikslid välja lülitatud) ja väga eredaid esiletõstmisi, mille tulemuseks on kõrge kontrastsuse suhe ja lai dünaamiline ulatus.
Millised on tulevased suundumused dünaamilise ulatuse parandamisel?
Tulevased suundumused hõlmavad MicroLED-ekraanitehnoloogia edusamme, pikslite disaini ja lugemistehnika edasist täiustamist ning keerukamate pilditöötlusalgoritmide väljatöötamist HDR-i ja toonide kaardistamiseks. Need edusammud toovad kaasa veelgi laiemad dünaamilised vahemikud ja realistlikumad pildid.
