HDR（High Dynamic Range，高動態(tài)范圍）仿佛是成像領域永恒的話題——感覺每年都有手機廠商在宣傳自家手機攝像頭拍照、拍視頻，獲得的畫面寬容度能有多廣。這兩年，不僅手機夜間成像能不能拍到燈箱細節(jié)成為旗艦機的必考題，視頻拍攝HDR也已經成為手機OEM廠商爭搶的高地。

一般我們說，這里的動態(tài)范圍是指成像系統(tǒng)在一幅圖像里能夠同時體現高光和陰影部分內容的能力。誰都希望即便在場景的亮處和暗處光比很大時，手機攝像頭的最終呈現依舊游刃有余。隨這些年CMOS圖像傳感器工藝技術進步，以及后端數字信號處理算力的提升，各種不同的HDR技術走得都還是比較快。

比如常見的所謂時域多幀HDR技術，就是相機針對同場景，連續(xù)拍下欠曝到過曝的多張圖像，最后做圖像的多幀合成，輸出一張高動態(tài)范圍HDR圖像。再比如DOL/Staggered HDR，傳感器每行像素以長短曝光先后輸出，實現“準同時”的不同亮度的信號，獲取最終的HDR畫面。還有大小pixel分離結構，不同尺寸的像素獲得不同的感光信號，覆蓋不同動態(tài)范圍。..。..

今年8月，格科微宣布發(fā)布業(yè)界首款DAG單幀高動態(tài)1300萬像素圖像傳感器GC13A2。這里的DAG（Dual Analog Gain）又是一類實現照片與視頻HDR的技術。在我們看來，這款產品有幾個關鍵詞。

其一是“單幀HDR”，并非手機拍照常見的多幀合成HDR；其二是從GC13A2的規(guī)格來看，1300萬像素分辨率，1/3.1英寸大小，單像素尺寸1.12μm，可見格科微將真正的視頻HDR技術，下放到了入門或中端手機設備上——大概明年，大部分手機都能普及此前旗艦手機才有的視頻HDR了。

我們來看看格科微的DAG HDR究竟是怎樣一種技術，效果如何。

DAG VS 多幀合成

傳統(tǒng)的時域多幀HDR，如前文所述，就是以不同的曝光參數，拍下多張圖像，最終對齊合成——欠曝的畫面照顧到了亮部細節(jié)，而過曝的畫面則能夠較好地呈現暗部細節(jié)。合成以后也就有了HDR效果。

這類方案的缺陷主要是，即便拍攝多張照片或多幀影像的時間間隔很短，“多幀”的這些畫面，畢竟仍然是不同時間拍攝的：那么當移動中取景或畫面存在高速運動對象時，就會產生運動偽像或鬼影。無論是拍照還是拍視頻，后端都需要對偽像再做處理。

即便現在包括AI在內的技術可用于消除運動偽像，多幀合成依然存在局限性。比如說要求AI模型有足夠廣的覆蓋度，算法效果也未必理想；后期消除偽像，系統(tǒng)成本會隨之提升——成本敏感型設備承受不了；影像拍攝的系統(tǒng)功耗也可能不理想。

那么很自然的，單幀HDR成為一個值得發(fā)展的方向。格科微選擇的就是自研DAG HDR。格科微在資料中說，這項技術是基于單幀畫面，針對畫面暗部使用高模擬增益，使得暗部“更清晰，更有質感”，針對亮部使用低模擬增益，避免過曝。那么就能最終輸出HDR圖像。DAG的Dual Analog Gain應該就是指這兩種增益了。

格科微告訴我們，所謂的“analog gain”模擬增益，是在ADC環(huán)節(jié)部分的增益，“暗部用一種gain，亮部用一種gain”基于對不同位置曝光的判斷，“在傳感器內部就完成整個過程”，“只輸出一幀畫面”。據說這種方案通過較小的成本增加，帶來近10dB的動態(tài)范圍提升。

DAG HDR至少在拍照的三個方面提升了動態(tài)范圍，拍攝畫面預覽、拍照、拍視頻。畫面預覽很容易理解：因為DAG HDR是單幀HDR，那么理論上在例如手機拍照時，按下快門前，拍照界面的畫面預覽就已經能夠看到HDR效果。

比如下面這組預覽取景對比，分別是GC13A2的DAG HDR畫面（右），以及另外一款同樣1/3.06“ 1300萬像素圖像傳感器輸出的常規(guī)10bit畫面（左）。注意水面暗部細節(jié)，及大樓外屏亮部細節(jié)對比，可以明顯發(fā)現DAG HDR還原的動態(tài)范圍更大，高亮的霓虹燈幾乎沒有過曝。

左圖：普通預覽 右圖：DAG HDR 預覽

看看DAG實際效果怎么樣

當然，即便應用了單幀HDR技術，仍然可以借助時域多幀HDR來更進一步提升畫面動態(tài)范圍。好處在于，用了單幀HDR的傳感器，在做多幀合成時，合成數量減少、功耗降低。

當用于照片拍攝時，相較傳統(tǒng)10bit方案，需要3幀合成的場景減少了50%。在格科微的高光比測試場景內，沒有單幀HDR方案的圖像傳感器拍照時，在60%的情況下需要進行3幀合成才能獲得HDR效果；而一旦有了DAG HDR的加持，那么80%的場景都只需要做2幀合成，10%的情況下用單幀就保留了高動態(tài)范圍，還有10%才考慮用3幀合成。

左圖：傳統(tǒng) HDR 拍照 右圖：DAG HDR 拍照

下面這組圖是GC13A2在打開DAG HDR以后，正常曝光與2幀合成的照片，以及關閉DAG HDR時的正常曝光與3幀合成照片效果對比。從背景抓娃娃機的燈光呈現，以及減少的合成幀數，這組對比還是能夠明確感受到DAG HDR的威力的。

左組圖：DAG HDR OFF 右組圖：DAG HDR ON

那么對應的，多幀合成的任務減少，一方面更好地抗運動偽像和鬼影，另一方面則讓系統(tǒng)功耗得到大幅縮減——對手機這樣的功耗敏感型設備而言有價值。運動偽像的消除，可從下面這個快速搖擺的運動對象拍攝看得出來。

左圖：多幀合成拍照 右圖：DAG HDR單幀拍照

值得一提的是，實際上DAG這類單幀HDR方案，在功耗更低和無鬼影的問題上，也比隔行長短曝光之類的“準同時”多曝光方案有優(yōu)勢。格科微似乎也在內部測試中對比了stagger HDR，以表現DAG的明確優(yōu)勢。

左：stagger HDR 右：DAG HDR

另外在視頻拍攝上，GC13A2可以全時低功耗輸出12bit高動態(tài)范圍圖像和4K 30fps視頻。在視頻拍攝時，單幀輸出就能獲得比較理想的HDR效果。一方面在圖像傳感器層面，將HDR視頻真正帶到了入門手機之上；另外實現HDR視頻的同時，因為期間沒有采用多幀合成，所以功耗減少了大約30-40%，也避免了多幀合成的運動偽像問題。

在后端算力平臺支持12bit數據處理時，這顆傳感器就能將12bit數據完整輸出；考慮入門平臺不支持12bit數據的情況，則GC13A2也能通過global-tone-mapping算法，將數據壓縮到10bit——雖說做了數據位壓縮，但畫面亮部與暗部細節(jié)仍有保留，所以仍有HDR效果。

未來會擴展到高端定位和其他市場

DAG HDR技術在格科微內部的研發(fā)，前后總共可能歷經了3-5年。這項技術的難點在“電路、算法方面的經驗積累”上。據說在格科微更早期的傳感器產品上，就有對應技術的“試驗”。到現如今正式量產，克服了不少難點。

格科微將GC13A2定位于手機、平板電腦之類的移動設備。未來格科微也考慮將DAG HDR技術應用到更高端定位的傳感器產品上?！斑@項技術發(fā)布以后，未來入門級智能手機產品都能用上HDR視頻拍攝和預覽?！备窨莆⑾嚓P市場負責人在接受采訪時說，“1300萬像素是能最快實現量產的產品。后續(xù)將技術復制到其他產品上也不會有問題?！?/p>

甚至未來格科微推出的大部分傳感器產品，都考慮將DAG或者其他HDR技術作為標配。通過在更高性能的產品上搭載DAG技術，也能進一步拉高品牌定位。

尤為值得一提的是，今年6月，格科微在安博會上發(fā)布了一款面向智慧城市、智能家居、會議系統(tǒng)等的GC8613傳感器。規(guī)格上，除了4K分辨率以外，這顆傳感器就已經率先實現了DAG HDR單幀高動態(tài)。這是DAG HDR技術還可應用于更多市場的佐證。

格科微告訴我們，無論GC13A2還是GC8613，都已經有客戶引入或做評估。GC13A2大概率明年就能在手機產品上看得到。

從這些年格科微布局sensor shift OIS光學防抖方案，再到COM封裝技術（錫焊COB）等，都能看出格科微在技術儲備上的努力。據說當前格科微針對HDR技術還在做進一步的深入和研究，很快大約也能看到DAG之外的其他成果。從格科微的時間和技術沉淀投入還是能夠看出這家公司入駐高端市場的決心和實力的。