1.1 HDR成像概述

高动态范围（High Dynamic Range, HDR）成像技术，是数字图像处理领域克服传感器物理限制、还原真实场景亮度层次的核心手段。在安防监控、智能手机摄影、车载视觉系统等嵌入式视觉应用中，HDR 已成为标配功能。本节从定义、动态范围概念和典型应用场景三个维度建立 HDR 成像的基础认知。

1.1.1 动态范围的概念

动态范围（Dynamic Range, DR）定义为场景中最亮区域与最暗区域的亮度比值，通常以分贝（dB）或比特位（bit）表示。在数字成像系统中，动态范围受限于传感器满阱容量（Full Well Capacity, FWC）与读出噪声（Read Noise）的比值：

DR_sensor = 20 × log10(FWC / Read_Noise)   [dB]

典型传感器的动态范围对比：

1.1.2 HDR技术的定义

HDR 成像技术通过采集同一场景下多帧不同曝光时间的图像（短曝光、中曝光、长曝光），经帧对齐（Frame Alignment）与融合（Merge）后生成一张动态范围远超单帧的图像。其核心流程包括：

1. 多帧采集： 传感器在连续时间内输出 2–4 帧不同曝光时间的 RAW 图像。
2. 帧对齐： 消除帧间运动（全局运动与局部运动）导致的像素偏移。
3. 曝光融合： 按像素亮度权重合成，保留各帧最佳曝光区域。
4. 色调映射： 将高动态范围数据压缩至标准显示设备（8–10 bit）可呈现的范围。

1.1.3 应用场景

HDR 成像在三大嵌入式视觉领域具有不可替代的地位：

• 安防监控： 逆光出入口、夜间低照度与强光并存场景（如停车场、银行 ATM）。HDR 确保人脸、车牌等关键目标在极端光照下仍可辨识。
• 智能手机摄影： 用户拍摄逆光人像、夜景、室内外混合光场景。手机 ISP 通过 HDR 算法实现“所见即所得”的观感。
• 车载视觉： 隧道出入口、夜间对向车灯、雨雾天气。HDR 保证 ADAS 系统（自动紧急制动、车道保持）在极端光照下仍能稳定检测目标。

1.1.4 HDR成像系统架构

下图展示嵌入式 ISP 中 HDR Merge 模块的典型数据流与模块关系：

1.1.5 动态范围与曝光时间的关系

在 HDR Merge 中，曝光时间配置直接决定每帧所能捕获的亮度范围。短曝光帧保留高亮区域纹理，长曝光帧保留暗部细节。典型三帧 HDR 的曝光时间配置策略如下：