导语：

单曝光HDR技术听起来可能没啥概念，可是若说起豪威的“双原生ISO融合”技术和三星的“Smart-ISO Pro”技术，估计很多人就知道这是啥概念了。

但是，这些听起来耳熟能详的技术名词，深层次所对应的具体原理到底是怎样的呢？还有三星最新的 DSG（双斜率增益）技术到底是啥？

另外，为什么CIS大厂中只有豪威和三星热衷于这些单曝光HDR技术，而老大哥索尼却停步于“双原生ISO”技术呢？这些问题本文将逐个解析清楚。

1，ISO 解析

ISO 这个词，是以前胶片时代，衡量底片对于光之灵敏度的指标。到了数码相机时代，这个指标被移植了过来，继续代表感光度，只不过这个感光度在同一款传感器中是固定的。

原因得从传感器的工作原理说起，首先光子进入CMOS的光电二极管内转换为电子，然后便会被捕获到势阱内完成积累，这个过程中的光电转换效率就被称为 QE（量子效率），而这个 QE 代表的便是传感器之感光度。

QE 在传感器设计的时候就已经固定了，没法改变，那么传感器的 ISO 又是咋回事呢？下面再看一下光生电子在传输过程中的经历，便会明白了。

被捕获到势阱中的电子，会被 TX（传输晶体管）放行至 FD（浮动扩散节点）中，再由 FD 转移并存储到一个 CFD（即FD电容）里。

在接下来的读出过程中，CFD 会完成电荷到电压的转换并被 DX（别名为 SF 源极跟随器，具有放大作用）晶体管读出，之后这个电压会被一个模拟放大器（AG）执行模拟放大并交给 ADC（模数转换器）量化为数字信号。

其中CFD负责的转换电压工作，所涉及之概念便被称为“转换增益”；然后在AG内有一个转换增益被模拟放大的过程，那么最终乘以模拟增益后的结果就是“原生ISO”了。

2，噪声解析

在手机传感器噪声领域，最主要的噪声源便是光电二极管发生光电效应时所产生的散粒噪声，以及模拟电路产生的前端读出噪声和模数转换环节所产生的后端读出噪声。

要解析与ISO有关的HDR技术，噪声这块就不能糊涂过，所以先来说说最先产生的散粒噪声。由于光子的量子效应影响，其并不会精准落在对应位置，而是在一大片区域以符合泊松分布的规则随机落下——也就是说这个噪声源就是光子本身。

这就好比小明在跳远比赛中，本应落在沙池（精准位置）中的，结果跳一下竟然飞到教学楼上了！回来再跳又落到了后面游泳池中……但教学楼和游泳池都在学校内（泊松分布区域）。

然后光生电子在模拟电路传输、转换、读出、放大，再到 ADC 被转为数字信号的这一系列过程中，都会产生对应的噪声；由于前端读出噪声较小，所以这一整段被统称为读出噪声。

而读出噪声与散粒噪声，则共同组成了传感器的暂态噪声——这是影响动态范围和信噪比的关键因素，暂态噪声越小那么动态范围和信噪比就越高。这些噪声经过最终的数字信号放大器施以数字增益后，就会表现为输出图像的噪点。

既然提到了信噪比，就顺带讲解一下。顾名思义，这个概念就是信号和噪声的比值，其中噪声上面说清楚了，而信号则可以通过原生ISO（转换增益+模拟增益）放大。

3，双转换增益技术

虽然散粒噪声的影响很大，但由于其强度就是光照强度开方——这就意味着进光量越大那么散粒噪声的强度占比就越低。

例如，4开方后是2，那么2/4 100%=50%；而100开方后是10，那么10/100 100%=10%。很明显，10%比50%小多了。当然为了避免过曝，光照强度也不能太高。这就好像一个小杯子一样，不能倒太多水，以避免溢出。

不过这时候若多加一个大杯子将多出的水装进去，那么整体就不会出现溢出的情况——写成计算式便为 VFD= Q /（CFD+CDCG）。

这时候再看一下双转换增益的英文——Dual Conversion Gain，其对应的正是 DCG 这个缩写，而上面计算式中分母项之 CDCG 就是多加的一个大电容（对应举例的大杯子）。

通过 CFD+CDCG 组合就能获得一个低转换增益，降低电荷到电压的转换比从而解决过曝问题，同时还压制了散粒噪声，最终保证了图像的高动态范围（有更好的色彩表现）。

相反若遇到弱光环境，这时候光生电子很少，平常被忽略的后端读出噪声就会出来“捣乱”。于是这时候就要提高电荷到电压的转换比，也就是断开CDCG（对应举例的小杯子）。

这样就能通过 CFD 获得一个高转换增益，从而有效压制住后端读出噪声，获得更纯净的暗光图像（噪点更少细节更多）。下面索尼的示意图中，就很好地解释了这个过程。

4，双原生 ISO 技术

双转换增益看起来是不错，但由于只有两个差距明显的选择，从而限制了在不同拍摄条件下灵活改善动态范围的能力。于是，后面又出现了只多加一条模拟放大电路的改版技术。

这时候像素内只有一个CFD，对于原生ISO的调节全靠两套模拟放大电路。这样在暗光环境下，就可以通过拥有高模拟增益的那路 AG 进行信号放大，从而压制后端读出噪声。而在高光环境中，就切低模拟增益 AG 电路从而避免过曝。

从下面索尼电影机的示例图可以看出，当增加一套原生ISO后，原本经过数字增益放大后的ISO6400之噪点水平，在原生ISO4000的作用下大幅降低至几乎同一水平！

综合来看，双转换增益所拓展的动态范围比较大，毕竟 FWC（满阱容量）的本质就是CFD，也就是说双转换增益增加了大电容后，直接代表着满阱容量的大幅提升！

而双原生ISO的优点则是 AG 的模拟放大倍数可调，细分为高低增益两条电路之后，其可调的范围就更广了，这样就可以灵活应对不同的拍摄场景从而调整动态范围。

但这两者都只能选择一个结果输出最终图像，而现实场景往往是复杂的（例如大光比场景），所以这时候就出现了基于这两种解决方案的HDR融合技术。

5，单曝光HDR技术

由于双转换增益只有一条模拟放大电路，所以无法做到单曝光HDR，这时候就轮到双原生ISO融合技术出场了。其通过一高一低两套模拟增益电路，同时读出FD电容之转换增益，最终将双路输出融合。

但是作为超小像素路线的坚定执行者，三星自然不满足于豪威首创的这个双原生ISO融合技术——被三星称为 Smart-ISO Pro 的双原生ISO融合可以配合 iDCG（场景内双转换增益）技术使用。

iDCG 能根据光照情况智能选择对应的转换增益，其中高转换增益配合双模拟增益组成高、低原生ISO，而低转换增益则配合双模拟增益则组成中、低原生ISO，通过对应的融合生成12bit或者14bit色深图像。

在 Smart-ISO Pro 的基础上，三星又双叒搞了个在旗舰级产品HP2上首发的 DSG（双斜率增益）技术！这个技术强调能在5000万像素（也就是“四合一像素”模式）情况下同时应用两个转换增益。

展开来说就是在两组准备四合一的子像素中，一组应用低转换增益，另一组应用高转换增益，然后这两组子像素全部经过双原生ISO融合之后，直接被合成了两个大像素——最终就直接得到了5000万像素的片上HDR图像。

三星不断推出的这些让人眼花缭乱之单曝光HDR技术（顺带还可以解决“运动伪影”问题），结合HP2新引入的 D-VTG（双竖直传输门）技术，直接一举扭转了超小像素在动态范围方面的不利情况！

总结：

原生ISO——在FD电容中完成的电荷到电压之转换，被称作“转换增益”，这个增益到了后面的 AG 后便会被模拟放大，从而得到一个被称为“原生ISO”的感光增益。

暂态噪声——主要由散粒噪声和读出噪声组成，其中前者是光子自身引起的量子特性，只能通过增加光强压制；而后者则是配套电路所产生的噪声，其主要以后端读出噪声为主。

双转换增益（DCG）——通过增加一个DCG电容，从而获得低、高两种转换增益，其中低转化增益可以通过加大电容提高动态范围，高转换增益则可以通过减小电容提高信噪比。

双原生ISO——通过多加一条模拟放大电路，配合FD电容组成两套原生ISO，其中低模拟增益电路负责高光环境以保证动态范围，高模拟增益电路则负责暗光环境以提高信噪比。

双原生ISO融合与iDCG——前者是直接将两套原生ISO的输出值合成，兼顾高动态范围和高信噪比。而后者则是加入能够智能选择的双转换增益，进一步提高融合效果的量级。

双斜率增益（DSG）——在像素四合一模式下开发的最新单曝光HDR技术，克服了双原生ISO融合（iDCG）无法同时应用双转换增益的难题，完美契合三星的超高像素路线。

索尼之所以止步于双原生ISO技术，是因为其技术方向与三星不同——专心研究垂直堆栈去了；例如最新的双层晶体管技术，在像素尺寸没啥大变化的情况下提高动态范围并降噪。

上一篇讲的是多曝光HDR技术，本质是通过感光层的光照控制来合成HDR图像。而这篇讲的则是单曝光HDR技术，技术核心在电路端——通过不同方式的增益控制实现各种HDR效果。

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