相机 - 增益

1. 前置增益（Pre-gain）/ 模拟增益（Analog-gain）

• 基本概念：指在相机信号数字化前，对传感器输出的微弱模拟电信号进行硬件放大。
• 位置：在光电转换之后、模数转换（ADC）之前。
• 原理：光照射传感器产生电子→转为微弱电压→通过 ** 前置放大器（Preamp/PGA）** 放大电压→再送入 ADC 转为数字信号。
• 作用：增益 = 相机的 “信号放大器”，作用就是把画面变亮。

PGA Programmable Gain Amplifier的缩写，中文为可编程增益放大器。在相机（尤其工业 / 科学相机）中，它是模拟前端（AFE）的核心电路，位于传感器与 ADC 之间，负责在信号数字化前，按数字指令精准调节模拟信号的放大倍数。

• 位置：光电转换后、ADC 之前，前置 / 模拟增益的硬件载体。
• 功能：通过寄存器配置（如 SPI/I2C）切换增益档位（如 0dB、6dB、12dB…36dB），实现对微弱光电信号的低噪声放大。
• 与 ISO 的关系：基准 ISO×PGA 放大倍数 = 原生 ISO；PGA 的最大档位决定原生 ISO 上限。
• 关键特性：低噪声、高精度、可编程切换，是保证弱光信噪比的关键。

ADC = Analog-to-Digital Converter 模数转换器

相机传感器出来的是模拟电信号（连续的电压），但电脑、CPU、FPGA 只能处理数字信号（0 和 1），ADC 就是把「模拟信号」变成「数字信号」的硬件。

ISP = Image Signal Processor，图像信号处理器

ISO = 感光度，数值越高，传感器对光越敏感，画面越亮

I2C = Inter-Integrated Circuit，芯片间通信总线，相机内部的 “配置指令通道”。慢，用来配置相机

SPI = Serial Peripheral Interface，串行外设接口，相机内部的 “配置指令通道”。快，用来传图 + 高速配置

前置增益≠像增强器增益：前者放大电子信号，后者放大光子。像增强器放大光子后，前置增益进一步提升电子信号

 

2. 数字增益

数字增益（Digital Gain） 是在相机 / 成像系统的数字信号处理阶段，对已经完成光电转换和模数转换（ADC）的数字信号进行的数值放大，本质是一种纯数学运算放大

外界光子 → 像增强器放大（可选） → 相机传感器光电转换（光→电子） → 前置增益（模拟放大，0-24dB） → ADC模数转换（模拟信号→数字信号） → 数字增益（数学放大） → 输出图像/数据

1. 经过 ADC 后，信号已经变成二进制数字（比如 12bit 对应 0-4095 的数值范围）；
2. 数字增益的本质是对这些数值进行乘法运算，例如增益倍数为 2 时，信号值 100 会被放大为 200；
3. 放大规则遵循 dB 换算公式：数字增益倍数 = 10(dB/20)，和模拟增益的换算方式一致（如 6dB 对应 2 倍，24dB 对应 16 倍）。

数字增益的优缺点：

优点

1. 无硬件成本：纯软件算法实现，无需额外的模拟放大电路，成本低；
2. 调节灵活：可实时、无级调节，不会改变硬件的工作状态；
3. 无模拟失真：不会引入模拟电路的非线性失真，仅存在数值截断的风险。

缺点

1. 信噪比恶化：这是最大的短板 —— 数字增益无法区分有效信号和噪声，会把噪声和信号一起放大，导致图像噪点增多、画质下降；
2. 无新信息增加：数字增益只是对已有数字信号的 “数值放大”，不能创造新的信号细节。比如传感器没捕捉到的微光细节，数字增益再高也无法显现；
3. 动态范围损失：放大后超出 ADC 量程的部分会被截断，导致高光区域变成一片白，丢失细节