DCG Sensor简介 - 小米10 至尊纪念版主摄技术

文章目的

该文章主要对《Leveraging Dynamic Response Pixel Technology to Optimize Inter-scene Dynamic Range》这篇文章进行了总结，阐述了DCG Sensor的作用。这也是小米10 至尊纪念版所用到的主摄摄像头技术。

文章背景

现实世界中的相机经常会遇到非常明亮的场景和非常黑暗的场景。为了捕获这些场景，图像传感器通常需要针对一个极端进行优化，但代价是另一种性能下降。说具体点也就是我们需要更大的FW（full-well）容量以及更高的灵敏度，但是更高的灵敏度可能会限制FW容量，传感器可达到的最大信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）和总的动态范围（dynamic range，DR）。

该文基于此提出新的cmos pixel设计方案，其通过简单的添加一个DCG（dual conversion gain）来使图像传感器在所有场景条件下均达到最佳。

Dual一词也就说明了一个pixel下有两个方案--Low conversion gain（LCG）和high conversion gain (HCG)。LCG对应于bright scenes的high capacity，HCG对应着light scene下low capacity和increased sensitivity and low read noise。以此保证图像传感器能在极端弱光条件下捕获图像/视频而不牺牲高光条件下的性能。

原理介绍

像素结构解释

上图显示了CMOS的一个像素元电路结构。简写如下：

PD = photodiode, TX = transfer transistor, RST = reset transistor, SF = source follower, RS = row select transistor, V_{AA} \_PIX = analog pixel power supply voltage, Vout= pixel output voltage node, FD = floating diffusion node, and C_{FD} = capacitance at the FD node

Relationship between Conversion Gain and Full-Well Capacity

CG和FW有什么关系呢？CG其实就是“反着”表示FD capacitance的一种方式。首先capacitance的公式为 C=Q/V ，其中Q为电荷（charge）单位为库仑（Coulombs），V为势（potential）单位为伏特（Volts）。通常，像素中允许的电压摆幅（voltage swing）的大小由整个传感器设计确定。于是这个固定的电压范围意味着CG可以对传感器的FW产生明显的影响。具体的说，假设FD电压摆幅为1.25V，如果CG为30 μV/e则可知FD最大容纳 1.25\cdot10^6 μV / 30 μV/e 约等于42,000个电子。假如入我们用更大的CG比如150 μV/e，那我们只需要 1.25\cdot10^6 μV / 150 μV/e 约 8,000 个电子。这说明了越大的CG导致FD能装的电子越少。

Importance of both Conversion Gain and Full-Well

这一章节主要是说CG值越高，电子更容易被探测到，也就是sensitivity越高。图2是两个Sensor（一个HCG，一个LCG）下画出的图。可以的到两个结论：1. 同等曝光时间下，HCG的FD采集到的电子比LCG多得多。2. LCG的FD能采集到更多的电子。这也说明了我们需要在LCG和HCG之间需要找一个平衡。

当系统噪音返回到FD时HCG也可以减少read noise。参考这个baseline噪音这一点很重要，因为我们读出来的信号是有系统噪音的，更好的参考这种噪音可以更好的得到更好的信号。

举个例子，假如image pixel的输出经过analog signal chain有100 μV噪音，这个噪音经过SF返回FD，SF为0.8，则会有125 μV。然后再经过CG变成电子时，可发现LCG会有125 μV / 30 μV/e = 4.2电子， 125 μV / 150 μV/e = 0.8电子。可看出在相同电子量下，HCG可以得到更高的电压，同时也可以使得系统噪音变得更小。

How CG and FW Capacity Relate to DR and SNR

设置先看signal-to-noise ratio (SNR)和dynamic range (DR)的公式。

以上两式的单位都为dB，N_{MAX} 指传感器的最大曝光。

The read noise is the lowest measureable signal, and is defined by the base noise level of the sensor’s whole signal chain / system.

读出噪音是可以检测到的最小的信号，同时也是整个传感器信号系统的最base level的噪音。大的FW是可以最大话SNR和DR的，然而如果增加CG的话，FW的容量就会受限。

Expanding Dynamic Range and Low-Light Performance

这一节主要是说明了一些HDR技术如logarithmic pixels, lateral overflow, frame multi-exposure (ME) and intra-frame multi-exposure (IFME)都是intra-scene DR, 他们都不能很好的提高低光下的敏感度和在低光下减少噪音。

Dynamic Response Pixel Technology

重点来了，红框就是提出改变的地方。

This technique, focused on inter-scene DR, adds a separate high sensitivity mode to a pixel that already has a large charge handling capacity.

也就是通过对pixel添加一个大的电容，使其具有新的可分离的高敏感度模式。

下面来看效果图

低光下可以看出HCG有更好的感光敏感度和低噪音。

高光下可以看出HCG会导致细节丢失，但是LCG下的高FD使得许多细节得以保留。

高ISO下HCG能减少许多read noise，SNR值相比LCG能提升5dB。最后放DCG sensor与普通sensor在不同曝光下的SNR对比曲线。

可以看出DCG sensor在保证高光不丢失细节的情况下在低光具有超过传统sensor的高SNR值得感光能力。