Rentang dinamis, rasio antara intensitas cahaya maksimum dan minimum yang dapat diukur, merupakan aspek penting dari teknologi gambar dan tampilan. Kemajuan dalam teknologi piksel telah memainkan peran penting dalam meningkatkan kemampuan rentang dinamis sistem pencitraan dan tampilan modern secara signifikan. Artikel ini membahas berbagai teknik dan inovasi dalam desain dan pemrosesan piksel yang berkontribusi pada peningkatan rentang dinamis, yang menghasilkan visual yang lebih kaya dan lebih realistis.
Memahami Rentang Dinamis
Rentang dinamis mengacu pada kemampuan sistem untuk menangkap atau menampilkan pemandangan yang sangat terang dan sangat gelap secara bersamaan. Rentang dinamis yang lebih lebar memungkinkan representasi detail yang lebih banyak baik pada bagian yang terang maupun yang gelap pada gambar. Tanpa rentang dinamis yang memadai, area yang terang akan terlalu terang (pudar) atau area yang gelap akan kurang terang (hitam sepenuhnya), sehingga mengakibatkan hilangnya detail dan representasi pemandangan yang kurang realistis.
Coba bayangkan foto matahari terbenam. Kamera dengan rentang dinamis rendah mungkin dapat menangkap langit cerah dengan baik, tetapi detail latar depan akan hilang dalam kegelapan. Sebaliknya, jika latar depan terekspos dengan baik, langit mungkin tampak seperti gumpalan putih tanpa ciri. Namun, sistem rentang dinamis tinggi (HDR) akan menangkap langit cerah dan latar depan gelap dengan detail, sehingga menghasilkan gambar yang lebih menarik secara visual dan akurat.
Pengukuran rentang dinamis sering dinyatakan dalam desibel (dB) atau sebagai rasio. Nilai dB yang lebih tinggi atau rasio yang lebih besar menunjukkan kemampuan rentang dinamis yang lebih besar.
Arsitektur Pixel dan Rentang Dinamis
Desain dan arsitektur piksel individual berdampak signifikan terhadap rentang dinamis keseluruhan sensor gambar atau tampilan. Beberapa teknik digunakan untuk memaksimalkan jumlah cahaya yang dapat ditangani setiap piksel dan meminimalkan noise, sehingga meningkatkan rentang dinamis.
Ukuran Pixel dan Kapasitas Sumur Penuh
Kapasitas sumur penuh (FWC) mengacu pada jumlah elektron maksimum yang dapat disimpan piksel sebelum menjadi jenuh. Piksel yang lebih besar umumnya memiliki FWC yang lebih tinggi, yang memungkinkannya menangkap lebih banyak cahaya dan dengan demikian meningkatkan jangkauan dinamis. Namun, peningkatan ukuran piksel dapat mengurangi resolusi gambar, sehingga harus ada keseimbangan.
Piksel yang lebih kecil sering kali mengalami FWC yang lebih rendah, yang dapat membatasi rentang dinamis. Desain inovatif, seperti sensor backside illumination (BSI), mengurangi masalah ini dengan meningkatkan efisiensi penangkapan cahaya.
Pada akhirnya, tujuannya adalah untuk memaksimalkan jumlah cahaya yang dapat ditangkap setiap piksel tanpa menimbulkan noise berlebihan atau mengorbankan resolusi.
Teknik Transfer dan Pembacaan Muatan
Cara muatan ditransfer dari piksel ke sirkuit pembacaan juga memengaruhi jangkauan dinamis. Transfer muatan yang efisien meminimalkan kehilangan muatan dan mengurangi gangguan, yang keduanya berkontribusi pada jangkauan dinamis yang lebih tinggi.
Correlated double sampling (CDS) merupakan teknik umum yang digunakan untuk mengurangi derau reset pada sensor gambar CMOS. Dengan mengukur tegangan piksel sebelum dan sesudah pencahayaan, CDS secara efektif menghilangkan derau reset, menghasilkan sinyal yang lebih jernih dan jangkauan dinamis yang lebih baik.
Teknik pembacaan lanjutan lainnya, seperti pengambilan sampel ganda dan perataan, dapat lebih mengurangi noise dan meningkatkan jangkauan dinamis.
Piksel Penguatan Konversi Tinggi
Piksel dengan gain konversi tinggi (HCG) mengubah sejumlah kecil elektron menjadi sinyal tegangan yang lebih besar. Hal ini meningkatkan sensitivitas piksel, sehingga dapat menangkap lebih banyak detail dalam kondisi cahaya redup. Meskipun piksel HCG dapat meningkatkan rentang dinamis pada ujung yang lebih rendah, piksel tersebut dapat lebih mudah jenuh dalam cahaya terang.
Teknik perolehan konversi ganda, di mana piksel dapat beralih antara perolehan konversi rendah (LCG) untuk pemandangan terang dan HCG untuk pemandangan gelap, menawarkan rentang dinamis yang lebih lebar dengan mengoptimalkan kinerja di berbagai kondisi pencahayaan.
Pendekatan adaptif ini memungkinkan area terang dan gelap ditangkap dengan detail, menghasilkan gambar yang lebih realistis dan seimbang.
Teknik untuk Meningkatkan Jangkauan Dinamis
Selain peningkatan tingkat piksel, beberapa teknik pemrosesan gambar digunakan untuk lebih meningkatkan jangkauan dinamis.
Pencitraan Rentang Dinamis Tinggi (HDR)
Pencitraan HDR melibatkan pengambilan beberapa gambar dari pemandangan yang sama pada tingkat pencahayaan yang berbeda, lalu menggabungkannya untuk menciptakan satu gambar dengan rentang dinamis yang lebih luas. Hal ini memungkinkan pengambilan detail di area pemandangan yang paling terang maupun yang paling gelap.
Algoritme pemetaan nada kemudian digunakan untuk mengompresi citra rentang dinamis tinggi ke dalam format rentang dinamis rendah yang sesuai untuk ditampilkan pada layar standar. Algoritme ini bertujuan untuk mempertahankan detail dan kontras dari pemandangan asli sambil menyesuaikan dengan keterbatasan tampilan.
HDR sekarang banyak digunakan dalam fotografi, videografi, dan teknologi tampilan untuk menciptakan gambar yang lebih realistis dan menarik secara visual.
Pemetaan Nada Lokal
Algoritme pemetaan rona lokal menyesuaikan kecerahan dan kontras berbagai area gambar secara independen. Hal ini memungkinkan peningkatan detail di area terang dan gelap tanpa memengaruhi keseimbangan gambar secara keseluruhan.
Algoritme ini sering menganalisis kontras dan kecerahan lokal setiap wilayah dan menerapkan kurva pemetaan nada yang dioptimalkan untuk area tertentu. Hal ini dapat menghasilkan gambar yang lebih alami dan terperinci dibandingkan dengan teknik pemetaan nada global.
Pemetaan nada lokal khususnya berguna untuk pemandangan dengan kontras tinggi, sementara pemetaan nada global dapat mengakibatkan sorotan yang terlalu terang atau bayangan yang kurang terang.
Amplifikasi Logaritmik
Amplifikasi logaritmik mengompresi sinyal dari piksel secara logaritmik. Hal ini memungkinkan rentang intensitas cahaya yang lebih luas untuk ditangkap tanpa saturasi. Sinyal logaritmik kemudian didekompresi selama pemrosesan untuk mengembalikan nilai kecerahan asli.
Teknik ini sangat berguna dalam aplikasi pencitraan ilmiah yang memerlukan rentang dinamis yang sangat lebar.
Dengan mengompresi sinyal, amplifikasi logaritmik memungkinkan penangkapan sinyal yang sangat redup dan sangat terang secara bersamaan.
Pengambilan sampel berlebih temporal
Oversampling temporal melibatkan pengambilan beberapa frame dari pemandangan yang sama secara berurutan dan kemudian merata-ratakannya secara bersamaan. Hal ini mengurangi noise dan meningkatkan jangkauan dinamis sensor yang efektif.
Dengan merata-ratakan beberapa bingkai, gangguan acak berkurang, menghasilkan sinyal yang lebih bersih dan kualitas gambar yang lebih baik.
Teknik ini terutama berguna dalam kondisi cahaya redup di mana noise dapat menjadi masalah yang signifikan.
Teknologi Tampilan dan Jangkauan Dinamis
Rentang dinamis teknologi tampilan sama pentingnya dengan sensor pencitraan. Teknologi tampilan dengan rentang dinamis yang lebih tinggi dapat mereproduksi gambar dengan realisme dan detail yang lebih baik.
Tampilan OLED
Layar OLED (organic light-emitting diode) menawarkan rentang dinamis yang sangat baik karena kemampuannya untuk mengendalikan kecerahan setiap piksel secara individual. Hal ini memungkinkan warna hitam yang nyata dan sorotan yang sangat terang, sehingga menghasilkan rasio kontras yang tinggi dan rentang dinamis yang lebar.
Layar OLED juga memiliki waktu respons yang sangat cepat, yang mengurangi keburaman gerakan dan meningkatkan pengalaman menonton secara keseluruhan.
Kemampuan untuk mematikan piksel individual sepenuhnya merupakan keunggulan utama teknologi OLED dalam hal jangkauan dinamis.
Tampilan LCD dengan Peredupan Lokal
Teknologi layar kristal cair (LCD) juga dapat mencapai rentang dinamis tinggi melalui penggunaan peredupan lokal. Peredupan lokal melibatkan pembagian cahaya latar menjadi beberapa zona dan mengendalikan kecerahan masing-masing zona secara independen. Hal ini memungkinkan warna hitam yang lebih gelap dan sorotan yang lebih terang, sehingga menghasilkan rasio kontras yang lebih tinggi dan rentang dinamis yang lebih baik.
Efektivitas peredupan lokal bergantung pada jumlah zona dan ketepatan kontrol kecerahan setiap zona.
Sementara layar LCD dengan peredupan lokal dapat mencapai jangkauan dinamis yang baik, secara umum layar LCD tidak sebaik layar OLED dalam hal ini.
Tampilan MicroLED
Layar MicroLED merupakan teknologi layar baru yang menawarkan potensi jangkauan dinamis yang lebih tinggi daripada layar OLED. MicroLED merupakan LED kecil yang dapat dikontrol secara individual, mirip dengan OLED. Akan tetapi, MicroLED lebih terang dan lebih efisien daripada OLED, dan tidak mengalami masalah burn-in yang sama.
Layar MicroLED masih dalam tahap awal pengembangan, tetapi diharapkan menjadi pemain utama di pasar layar pada tahun-tahun mendatang.
Kombinasi kecerahan tinggi, efisiensi tinggi, dan kontrol piksel individual menjadikan MicroLED sebagai teknologi yang menjanjikan untuk mencapai jangkauan dinamis yang sangat tinggi.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa itu rentang dinamis dalam pencitraan?
Rentang dinamis adalah rasio antara intensitas cahaya terukur maksimum dan minimum yang dapat ditangkap oleh sistem pencitraan atau dapat direproduksi oleh layar. Rentang dinamis yang lebih lebar berarti lebih banyak detail dapat dilihat di area terang dan gelap pada gambar.
Bagaimana ukuran piksel memengaruhi jangkauan dinamis?
Piksel yang lebih besar umumnya memiliki kapasitas sumur penuh yang lebih tinggi, yang memungkinkannya menangkap lebih banyak cahaya dan dengan demikian meningkatkan jangkauan dinamis. Piksel yang lebih kecil sering kali memiliki kapasitas sumur penuh yang lebih rendah, yang dapat membatasi jangkauan dinamis. Desain inovatif seperti penerangan bagian belakang dapat membantu mengurangi hal ini.
Apa itu pencitraan HDR?
Pencitraan HDR (High Dynamic Range) melibatkan pengambilan beberapa gambar dari pemandangan yang sama pada tingkat pencahayaan yang berbeda dan menggabungkannya untuk menciptakan satu gambar dengan rentang dinamis yang lebih luas. Hal ini memungkinkan pengambilan detail di area pemandangan yang paling terang dan paling gelap.
Bagaimana layar OLED meningkatkan jangkauan dinamis?
Layar OLED (Organic Light-Emitting Diode) menawarkan rentang dinamis yang sangat baik karena setiap piksel dapat dikontrol secara individual. Hal ini memungkinkan warna hitam yang sebenarnya (piksel dimatikan) dan sorotan yang sangat terang, sehingga menghasilkan rasio kontras yang tinggi dan rentang dinamis yang lebar.
Apa saja tren masa depan dalam peningkatan jangkauan dinamis?
Tren masa depan mencakup kemajuan dalam teknologi tampilan MicroLED, peningkatan lebih lanjut dalam desain piksel dan teknik pembacaan, serta pengembangan algoritma pemrosesan gambar yang lebih canggih untuk HDR dan pemetaan nada. Kemajuan ini akan menghasilkan rentang dinamis yang lebih luas dan gambar yang lebih realistis.
