【導讀】在無人機、自主移動機器人（AMR）、人形機器人等自主設備的視覺感知系統中，高動態范圍（HDR）成像能力是保障復雜光照環境下可靠導航、避障、識別的核心基石。本文為《面向無人機和機器人的圖像傳感器教程》教程的第二篇，將系統介紹圖像傳感器的選型標準和實現HDR的三種方法等。第一篇請查看一文讀懂無人機與工業機器人的環境感知需求。
一、圖像傳感器質量與選型標準
成像性能
在評估適合特定任務的圖像傳感器時，需依據無人機或機器人的實際應用場景確定性能標準。室內和室外的光照條件截然不同。必須考慮到移動中的物體。商業攝影師可以通過調節快門速度和鏡頭光圈來達到想要的視覺效果。但測繪、監控、科學觀測等應用，對成像設備有著不同的性能要求，尤其是設備自身快門的運用方式。
環境溫度會對成像設備的性能造成極大影響，設備供電也會受到影響。圖像傳感器對熱量十分敏感，若工作溫度較高且未采用相應的補償設計，成像畫面就會產生噪點。
產品和系統參數
除了尺寸和成本等典型因素外，可靠的功耗管理也至關重要。特別是對于典型的現代無人機云臺或人形機器人“頭部”這樣的多相機系統，成像設備需要具有互操作性。所有成像設備均由電子網絡統一管控，因此必須對它們的帶寬進行優化。帶寬分配過量與帶寬占用過載，都會造成嚴重問題。在傳感器中集成盡可能多的功能，將有助于優化性能。
工具和支持
即使是當今頂尖的圖像傳感器，如果搭配的組件缺少高質量的光學元件、高帶寬接口和功能強大的ECU處理器，也無法充分發揮性能。所有成像設備，如同所有用于各種用途的電子元件一樣，都必須融入統一的平臺中。安森美半導體攜手成像生態合作伙伴，確保即便各種平臺設備來自不同供應商，也能穩定發揮理想性能，使用順暢且功能無損。
二、高動態范圍的重要性
動態范圍指傳感器捕捉場景中不同亮度層級的能力，涵蓋最暗陰影到最亮高光的全部區間。在設計成像系統以補償強光環境并同時保留暗光細節與對比度時，通常可從三個不同維度選擇方案：
時間：同步采集多張不同曝光度的圖像，然后壓縮圖像合成的時間間隔（該操作會削弱信號強度）。
空間：縮小光電二極管的尺寸，或是將像素分區設置，用大尺寸高靈敏度像素搭配相鄰的小尺寸低靈敏度子像素，以此減少整體進光量（該操作會削弱信號強度）。
增益：增大圖像傳感器可讀取和存儲數據的電容容量，通常做法是加大二極管尺寸并增設電容（該操作會提升信號強度，但會占用更多存儲空間與處理時間）。
三、實現優異HDR的三種方法
多重曝光方法將三張不同積分時長的圖像進行運算合成，最終生成一張高動態范圍圖像。這種方法存在一個問題：各幀圖像的拍攝時間不同，容易產生運動偽影。若拍攝畫面中的光源為脈沖式光源，例如LED燈、汽車尾燈，較短的積分時長會引發頻閃偽影。對于高分辨率傳感器而言，多重曝光方法操作繁瑣，甚至會產生熱量。縮短成像間隔會進一步加劇運動偽影；LED光源的頻閃頻率超出人眼識別范圍，卻仍能被快門捕捉，頻閃現象會愈發突出。
安森美的超曝光方法采用單個光電二極管，在單次積分周期內采集全部圖像信息。同時借助像素內多增益技術，在滿阱電荷容量極大（飽和前可承載電荷量高）的前提下，實現低本底噪聲。
四、嵌入式HDR（eHDR）的優勢
高動態范圍可依靠圖像傳感器相鄰ECU的處理功能實現，也可將算法內置在傳感器當中。若使用高分辨率傳感器，并選擇在處理器端實現高動態范圍，尤其是采用多重曝光方案時，容易造成帶寬占用過高。簡單計算可知，采用低壓差分信號（LVDS）、動態范圍達120dB的HDR傳感器，單路相機就需要12Gbps的帶寬。多數情況下，ECU難以滿足相應的處理需求。
延遲會導致最終成像出現異常，不僅會產生圖像偽影，還可能完全丟失快速移動的目標。安森美Hyperlux與Hyperlux LH系列圖像傳感器，將HDR圖像處理功能直接集成在傳感器專用集成電路上，可把輸出帶寬降至原來的五分之一。這樣一來，設計工程師就可以選用成本更低、帶寬更小的ECU。
五、利用智能線性化實現eHDR
將多幀圖像合成為單幀圖像以實現高動態范圍的常用處理流程，稱為線性化。線性化過程通常占用大量內存，并消耗大量的處理器資源。采用傳統方式做線性化處理時，畫面極易出現多余偽影，拍攝近距離、高亮度運動物體時尤為明顯。這類偽影有時是由長曝光切換至短曝光的過渡時長所導致。一種常見偽影表現為：本應是漸變過渡的兩種色調之間，出現生硬分界。機器視覺算法可能會將這種分界誤判為實體硬邊緣。
安森美的智能線性化技術可解決以上該問題，方法是動態計算長短曝光切換的信號，精準控制時間以實現平滑的過渡。曝光時長切換更平順，成像畫面也會更自然，偽影隨之減少。安森美Hyperlux LH系列圖像傳感器AR0246與AR0822，在嵌入式HDR（eHDR）技術中應用了智能線性化，以極低資源開銷實現了極致位深表現。
結論
對于無人機、自主移動機器人、人形機器人等自主裝備，HDR 成像能力是復雜光照環境下導航、避障與目標識別的關鍵。在圖像傳感器選型時，除成像指標、功耗、尺寸成本外，還需要綜合考慮溫度噪聲、多相機帶寬分配以及配套光學、處理器生態。傳統多重曝光 HDR 容易產生運動偽影和 LED 頻閃，還會帶來巨大帶寬與算力開銷。安森美的 eHDR 方案把 HDR 處理內置在傳感器芯片內，搭配智能線性化技術平滑曝光切換，抑制畫面偽影，顯著降低輸出帶寬，減輕后端 ECU 的算力負擔，在有限硬件資源條件下獲得更高質量的高動態圖像，更適合移動自主機器人與無人機視覺系統開發。
