Funkcja HDR w kamerach samochodowych

Ludzkie oko radzi sobie z przejściami między jasnymi a ciemnymi miejscami bez większego problemu, bo błyskawicznie adaptuje się do zmian natężenia światła. Matryca kamery tego nie potrafi. Dlatego nie radzi sobie w momentach takich jak wyjazd z ciemnego tunelu prosto w zachodzące słońce czy widok na reflektory ciężarówki nadjeżdżającej z naprzeciwka w środku nocy. Wówczas zwykły wideorejestrator gubi to, co najważniejsze, czyli numer tablicy, który za sekundę może się okazać jedynym dowodem w sprawie. Odpowiedzią na tę fizyczną barierę jest funkcja HDR, czyli High Dynamic Range. Sprawdźmy ją!

Czym jest zakres dynamiczny i dlaczego kamera „gubi” obraz?

Zakres dynamiczny sensora to rozpiętość między najsłabszym a najsilniejszym natężeniem światła, które matryca potrafi zarejestrować w obrębie jednej klatki. Wartość tę podaje się w decybelach, a skala jest logarytmiczna, więc każde kolejne 6 dB oznacza dwukrotnie szerszy zakres jasności. Coś jak z dźwiękiem.

Im wyższa wartość, tym więcej spektrum kamera przetworzy bez wpadania w cyfrowy szum czy jednolite plamy bieli i czerni. W tanich rejestratorach ten zakres jest po prostu wąski, więc urządzenie nieustannie musi wybierać, którą część sceny „poświęcić” na rzecz drugiej.

Problem widać z obu stron sytuacji.

• Za dużo światła – fotodiody matrycy nasycają się przy silnym słońcu i obraz w tych miejscach się przepala, przez co jasne partie przekształcają się w białą, pozbawioną szczegółów plamę.
• Za mało światła – nocą kamera musiałaby drastycznie wydłużyć czas naświetlania pojedynczej klatki, a przy jadącym aucie kończy się to rozmyciem ruchu, które rozjeżdża krawędzie i numery na tablicach.

W obu przypadkach ludzkie oko widzi scenę bez trudu, bo dostrzega detale zarówno w głębokim cieniu, jak i w jaskrawym słońcu. W kamerze jest zgoła odwrotnie; matryca jest mikroskopijna i nie tak doskonała, jak nasz narząd wzroku.

Dlaczego reflektory potrafią oślepić kamerę?

Zjawiskiem, z którym walczy HDR, jest tak zwane rozlewanie się jasnych punktów. Kiedy snop światła z reflektorów uderza w odblaskową tablicę albo prosto w obiektyw, w słabszej kamerze ten punkt „rozpływa się” na otoczenie i zamazuje to, co jest dookoła. To spory problem nocą, kiedy to całe otoczenie mocnych źródeł światła jest w zasadzie zupełnie niewidoczne.

Jak obsługa HDR rozwiązuje ten problem w wideorejestratorze?

W kamerze samochodowej technologia HDR działa dokładnie odwrotnie niż w telewizorze HDR, bo dotyczy rejestracji, a nie prezentacji. Zadaniem HDR w rejestratorze jest czytelna scena drogowa tam, gdzie kontrast znacznie przewyższa możliwości zwykłej matrycy. Mechanizm w większości kamer sprowadza się do łączenia informacji o różnej jasności, ale robi się to na kilka sposobów, które różnią się jakością efektu.

Klasyczne łączenie ekspozycji, czyli DOL-HDR

Tradycyjny tryb HDR rejestruje dwie klatki w bardzo krótkich odstępach czasu. Jedna klatka ma krótki czas naświetlania i dotyczy głównie jasnych obszarów, druga długi i wyciąga detale z cieni. Następnie procesor składa je w jeden kadr, w którym oba skrajne zakresy jasności są czytelne.

Ma to jednak swoją cenę, bo między dwiema klatkami mija ułamek chwili, a przy obiektach w szybkim ruchu to wystarcza, by pojawił się ghosting, czyli podwójne kontury, przesunięte kolory i drobne artefakty. Na spokojnej drodze problem jest niewidoczny, ale przy aucie mijającym cię z dużą prędkością względną może spowodować nieczytelność tablic. To właśnie dlatego samo określenie „HDR” na pudełku nie mówi jeszcze, czy dana kamera poradzi sobie z dynamiczną sceną.

Równoczesne przechwytywanie, czyli Clear HDR

Nowsze sensory, takie jak cała rodzina Sony STARVIS 2, rozwiązały ten problem inaczej; technologią Clear HDR, która rejestruje obraz w tym samym momencie. Różnica między dwiema wersjami tkwi nie w czasie naświetlania, lecz w poziomie wzmocnienia sygnału.

• Niskie wzmocnienie (low gain) obsługuje jasne partie.
• Wysokie wzmocnienie (high gain) obsługuje partie ciemne.

Skoro oba ujęcia powstają jednocześnie, to w rezultacie znika główna wada starszego rozwiązania: ghosting i rozjechane krawędzie.

Clear HDR powstało wprost jako rozwiązanie pod systemy monitorowania ruchu i kamery samochodowe, gdzie zamrożenie poruszającego się obiektu jest istotniejsze niż cokolwiek innego. Producent podkreśla przy tym, że sensor dobrze radzi sobie z dużymi zmianami jasności właśnie w scenach nocnych oraz na wjazdach i wyjazdach z tuneli.

Różnica względem poprzednika nie jest kosmetyczna. Pierwsza generacja STARVIS osiągała około 70 dB zakresu dynamiki w jednej ekspozycji, a STARVIS 2 podnosi tę wartość do 88 dB, co odpowiada mniej więcej ośmiokrotnie szerszemu zakresowi jasności rejestrowanemu w jednym ujęciu.

STARVIS 2 ogranicza także efekt rozlewania się jasnych punktów dzięki pikselowi z dwiema pojemnościami ładunku (dual conversion gain), który dla bardzo jasnych fragmentów przełącza się w tryb pojemnościowy, zamiast od razu się przepalać.

Jakie efekty daje format HDR, kiedy ma największy sens, a kiedy przeszkadza?

HDR pokazuje pełnię możliwości w scenach o wysokim kontraście, takich jak: 

• wyjazd z tunelu w słońce – matryca nie przepala nagle rozjaśnionego kadru i zachowuje szczegóły;
• jazda pod wschodzące lub zachodzące słońce – HDR pilnuje balansu ekspozycji tam, gdzie zwykła kamera oślepłaby na kilka sekund;
• odblaskowa tablica w snopie reflektorów nocą – krótka ekspozycja lub niski gain „gasi” sztuczny blask, dzięki czemu numer pozostaje czytelny, zamiast zamienić się w białą plamę.

Są jednak i takie przypadki, kiedy mimo wszystko HDR nie stanowi większej zalety. HDR nie jest magicznym przełącznikiem, który zawsze poprawia obraz. Bywają sytuacje, w których przeszkadza! Do wad należy:

• spadek liczby klatek – w wielu kamerach włączenie HDR zbija zapis z 60 do 30 klatek na sekundę. Przy szybkim ruchu wyższa liczba klatek potrafi dać ostrzejszą, łatwiejszą do odczytu pojedynczą klatkę, bo krótszy czas naświetlania mniej rozmywa mijające auta;
• ryzyko artefaktów – starszy DOL-HDR w dynamicznych ujęciach może wprowadzać ghosting i drobne błędy na krawędziach szybko poruszających się obiektów.

Format nagrywania obrazu HDR a WDR, czy to jest to samo?

Na pudełkach i w specyfikacjach obok HDR często przewija się skrót WDR (Wide Dynamic Range) i łatwo pomyśleć, że to synonim. Zupełnie tak nie jest, choć cel obu technologii jest ten sam, czyli zbalansowanie kontrastu i wyciągnięcie detali z najjaśniejszych oraz najciemniejszych obszarów kadru.

Digital WDR nie wykorzystuje matrycy do dodatkowych ekspozycji – kamera przechwytuje daną klatkę, po czym potem procesor wykonuje na niej cyfrowy „lifting” za pomocą mapowania tonów. Rozjaśnia lokalnie cienie, a przyciemnia prześwietlenia.

Efekt:

• Obraz staje się czytelniejszy niż surowy materiał, ale programowa obróbka nie stworzy informacji, której sensor nie zarejestrował. Sprzętowy HDR ma tu przewagę, bo pracuje na danych pobranych z matrycy.

To rozróżnienie warto mieć z tyłu głowy przy zakupie, bo część producentów używa obu skrótów zamiennie, nie precyzując, co faktycznie siedzi w środku.

A czym jest standardowy tryb SDR?

W Standard Dynamic Range (SDR), czyli standardowym, wąskim zakresie dynamiki, kamera rejestruje scenę jedną, uśrednioną ekspozycją. To najprostszy i najtańszy sposób pracy matrycy, ale też najbardziej zawodny w warunkach, które na drodze są codziennością. 

W trybie SDR sensor musi wybrać jeden poziom naświetlenia na cały kadr, więc gdy w scenie jest jednocześnie oślepiające niebo i głęboki cień pod wiaduktem, to z całą pewnością przepadnie część danych dotyczących obu tych obszarów. Jasne partie zleją się w jednolitą, przepaloną biel, a te najciemniejsze utoną w czerni pozbawionej detali. 

HDR bierze tę samą trudną scenę i zamiast poświęcać jeden z biegunów jasności, łączy informacje z różnych poziomów naświetlenia, dzięki czemu jasne obszary i cienie zachowują czytelność naraz.

Sam nowoczesny tryb HDR to nie wszystko, czyli co jeszcze decyduje o czytelnym nagraniu?

HDR jest tylko jednym z wielu trybów w większym mechanizmie i nawet najlepszy algorytm nie nadrobi braków w pozostałych elementach toru optycznego. Warto więc patrzeć na kamerę jako całość.

• Architektura i rozmiar matrycy. To najważniejszy aspekt techniczny; oko Twojej kamery. Dla przykładu sensory STARVIS korzystają z konstrukcji BSI, w której okablowanie przeniesiono za fotodiodę. Dzięki temu do piksela dociera więcej światła. Do tego liczy się fizyczny rozmiar piksela, bo większy zbiera więcej fotonów i daje czystszy sygnał po zmroku.
• Jasność obiektywu. Przysłona to pierwszy filtr, przez który przechodzi światło. Im niższa liczba, tym lepiej, a różnica między F/1.8 a F/2.0 to zauważalnie więcej światła bez podnoszenia czułości i szumu.
• Procesor obrazu. To on odpowiada za mapowanie tonów, redukcję szumu i kompresję. Nawet świetny sensor sparowany ze słabym układem da przeciętny wynik, dlatego brak informacji o procesorze w specyfikacji powinien zapalać lampkę ostrzegawczą.

Podsumowanie – kamera z trybem HDR (High Dynamic Range) to przyszłość

Funkcja HDR w kamerze samochodowej nie jest kosmetycznym dodatkiem, tylko mechanizmem, który w krytycznym momencie decyduje o tym, czy dane nagranie stanie się użytecznym materiałem dowodowym, czy rozmytą plamą. Chroń swoje bezpieczeństwo, ale i portfel, bo być może za „plamą” czerni bądź bieli kryje się twarz sprawcy lub numer rejestracyjny jego auta!