新技能｜双增益及其工作原理

影像狗 2023-05-31

松下 GH6 有了动态范围提升模式，而这一模式依托于“双输出增益”的传感器。目前，采用“双增益”设计的传感器应用非常广泛，也是时候深入了解其工作原理了。这篇是翻译的DPReview的文章，其中有一些技术要点翻译可能会有出入，请大家多多指正。

光束照射到像素（或光电二极管）时会释放电子，这一过程称为光电效应。在传统相机的传感器中，像素总是会根据光量产生相应的输出电压。

在光照极低的条件下，可用光子量很少，因此传感器产生的电压非常小。为解决这一问题，大多数传感器会增加放大量，这有两个好处：一，可以让传感器的电子信号与模数转换器 (ADC) 调整编码的信号范围相匹配，即对传感器的输出进行详细编码。二，来自传感器的信号远大于可能在放大级和到达模数转换器之间添加的任何电子读取噪点，从而最大限度地减少了这种特定类型噪点对最终图像的影响。

但是，使用放大也有缺点，这可能会让传感器捕获的部分数据无法通过模数转换器处理。

传统的传感器

在大多传统传感器中，ISO增加，增益放大器也会随之放大信号，而且放大器离像素越近，传感器的性能就越好。

ISO 是感光组件对于光线的灵敏度。更准确地说，它是感光单位感受到光线撞击后的增益值(Gain)。基本ISO通常能够捕捉到最宽的动态范围，然后放大程度每增加一级，就会把捕捉到的最亮的部分推到模数转换器的范围外（失去一档高光信息），然后减少后端读出噪声的影响，以延长阴影中的动态范围。

双转换增益传感器

尼康早期 1 系列相机中由 Aptina 制造 “1”型传感器是首个利用双转换增益设计的传感器。双转换增益技术指：像素有两个不同的FWC。在小FWC时，本底噪声小，对应较高的增益；在大FWC时，本底噪声大，对应较低的增益。这样减小了噪声的占比，即提高了信噪比。

到目前为止，大多数有“双增益”传感器的相机都使用了Aptina的技术。双增益架构就是从每个像素同时产生两条放大成都不同的读出通路。第一条通路包含常规的、高度放大的信号。第二通路包含较低放大率的信号，用以捕获在第一通路中被剪切的信息。该方法增强了弱光性能，并防止高光被剪切，从而显著地扩展了图像的动态范围。

但是，用户需要决定是在高增益状态还是低增益状态下运行像素，只能二选一。松下（包括 S1H 和 GH5S）支持两个原生ISO同时工作，然后将两个图像融合在一起，达到更大的动态范围。而绝大多数相机 “双原生ISO”只能以“切换”模式进行工作。

双输出增益

松下采用的技术与Arri 公司的技术有很多共通之处。佳能旗下的一些EOS 摄影机也采用了类似的技术。要想达到这种技术，需要捕获传感器的两个输出，并对每个输出应用不同级别的放大：一个具有改进的阴影噪声特性的高增益输出和一个保留高光信息的低增益输出。高增益数据用于处理阴影区域，低增益数据用于处理高光区域。

与双转换增益设计相比，双输出增益产生的阴影会稍显不足。但双输出增益能够比双转换增益更有效地保留高光部分。

在GH6上打开动态范围提升模式后，高光的动态范围多了一档。这种捕捉更多细节的能力在某些场景中非常有用。但在较暗的条件下，与关闭动态范围提升模式相比，它能多提供1档曝光。

图文来源：dpreview

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