車用圖像傳感器參數(shù)小議——信噪比
智能駕駛?cè)缃駶u漸成為汽車的一個常見功能,它增強了汽車和駕駛員的感知能力,降低了駕駛員的工作強度,同時可以有效提高行車的安全性。這其中,基于CMOS 圖像傳感器的攝像頭是智能駕駛系統(tǒng)感知外界環(huán)境的主要工具之一。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202311/453045.htmCMOS圖像傳感器是成像sensor,它本質(zhì)上是一個存儲器和模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)的組合?;诠璧墓怆娦?yīng),入射光線會在傳感器像素的感光二極管中激發(fā)電荷,電荷被收集存儲,經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。
Figure 1光電效應(yīng)
從架構(gòu)上看,CMOS圖像傳感器類似于一個存儲器memory,它有大量存儲單元,支持行和列的尋址操作,區(qū)別在于存儲器是電路寫入內(nèi)容,而sensor中的內(nèi)容是可見光或近紅外光線寫入的。
傳感器收集到的電荷包括兩部分:一部分是我們期望的電荷,來源于環(huán)境光線所激發(fā)的有效信號;另一部分是用戶不希望的干擾產(chǎn)生的電荷,干擾來源有很多種,一般統(tǒng)稱為噪聲。
我們希望圖像中的有效信息越多越好,干擾噪聲越少越好。一個常見的衡量圖像噪聲效果的指標(biāo)是信噪比SNR,即信號與噪聲的比值。信噪比越大,圖像噪聲相對含量越少,圖像質(zhì)量越好。SNR的單位可以是比值,也可以轉(zhuǎn)成對數(shù)單位dB。
CMOS sensor的數(shù)據(jù)手冊一般都會提供信噪比參數(shù)SNR,如下所示。
有一個常見的問題:46dB信噪比的sensor是不是比43dB的sensor低照效果更好?
答案是未必,脫離條件的結(jié)論往往會掉到坑里。
SNR不是一個點,它是光照條件的函數(shù),如圖2,SNR會隨著光照強度變化變成一條曲線。當(dāng)它作為低照效果指標(biāo)時,要求選取低照條件下的SNR值。而業(yè)內(nèi)sensor數(shù)據(jù)手冊上的SNR參數(shù)通常是SNR最大值,對應(yīng)于光照環(huán)境非常明亮?xí)r的SNR值,即圖中藍色SNR曲線右上角的SNR Max點。而藍線位于左下角區(qū)域的SNR值才適合作為評估低照的參數(shù),此時的光照不足,對應(yīng)于低照環(huán)境。這就像賣蘋果,放在上面一層是最好的,你需要翻開籃子,看看里面蘋果的質(zhì)量如何。
Figure 2信噪比SNR曲線
依據(jù)最大SNR點來評判sensor有以偏概全的問題。根據(jù)需要,用戶可以選取特定曝光條件Exposure對應(yīng)的SNR大小來評判低照噪聲,SNR越大越好;也可以限定SNR為某個固定值,例如SNR=5時,用此時需要的曝光條件Exposure值大小來評判低照噪聲,Exposure值越小意味著達到同等SNR時需要的光照資源越少,sensor的低照性能越好。
圖2顯示的是普通sensor的SNR,是單調(diào)遞增的曲線。汽車上使用的CMOS sensor,為了匹配全天候應(yīng)用場景,需要很高的動態(tài)范圍HDR,HDR常用方法是改變sensor的靈敏度,對環(huán)境的不同亮度分別采樣,再把多次采樣的圖像幀映射到標(biāo)準(zhǔn)化的線性數(shù)據(jù)空間,最后從不同靈敏度幀中選取合適像素,拼成一張完整的圖像幀,參見《車用圖像傳感器參數(shù)小議——動態(tài)范圍》。
sensor的靈敏度變化,對應(yīng)于坐標(biāo)系中的SNR線移動到不同的位置,最終HDR圖像的SNR曲線演變成多條SNR曲線的擬合結(jié)果,例如圖3的藍線,它不再是一條單調(diào)遞增曲線,除了低照SNR會很小以外,高亮區(qū)間還會出現(xiàn)多個局部極小值,當(dāng)工作點落在SNR跌落區(qū)間時,即便此時環(huán)境很亮,噪聲也會惡化。
這在圖像上會出現(xiàn)一個違背人眼感知習(xí)慣的現(xiàn)象,即隨著亮度增強,圖像的質(zhì)量會從差到好,然后又突然惡化的情況。因此與傳統(tǒng)線性sensor不同,車用寬動態(tài)sensor的信噪比還需要評估高亮條件下的極小值指標(biāo)。
Figure 3 HDR圖像的SNR
Figure 4 SNR和噪聲
車用sensor的SNR是一條非單調(diào)的曲線,汽車應(yīng)用環(huán)境會讓問題變得更復(fù)雜。sensor是一個模擬器件,在ADC之前,信號和噪聲數(shù)據(jù)是以電荷的形式存儲的,sensor的暗電流也會累積電荷,其產(chǎn)生速度大致上與曝光時長成正比,與溫度呈指數(shù)關(guān)系。所以我們還必須考慮溫度,曝光時長以及模擬增益對暗態(tài)噪聲的影響。SNR同時是溫度,曝光時間和模擬增益的函數(shù),它的曲線已經(jīng)變成多維的曲線簇了。
以溫度影響為例,圖5是SNR=10時需要的Exposure值隨sensor內(nèi)部溫度升高的變化趨勢,我們可以看到,不同sensor對溫漂的敏感度是不一樣的,這兩個sensor的SNR曝光值在60°C時發(fā)生交叉,意味著在室溫25℃和高溫80℃分別評估時,得出的SNR結(jié)論截然相反。
Figure 5晶圓內(nèi)部溫度影響
按照車用攝像頭有效使用生命周期的溫度分布,超過88%的生命周期內(nèi),sensor內(nèi)部的節(jié)溫超過40℃,超過80%時間內(nèi)節(jié)溫超過60℃,超過65%時間內(nèi)節(jié)溫超過80℃。
溫漂影響會導(dǎo)致SNR曲線發(fā)生進一步變化。如圖6紅色虛線示意,當(dāng)溫度升高后,SNR曲線在低照區(qū)域和高亮局部區(qū)域會繼續(xù)下跌。
Figure 6溫度對HDR SNR影響
目前業(yè)內(nèi)對車用圖像傳感器SNR的評估,常采用歐洲機器視覺協(xié)會的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)來測試。EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)中的信噪比SNR,是基于傳統(tǒng)單調(diào)的線性sensor模型來定義的,對于車用寬動態(tài)圖像傳感器 SNR特性的描述并不完善。電氣與電子工程師協(xié)會IEEE正在為汽車影像定義新的質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)P2020,作為工作組成員之一,安森美公司承擔(dān)了IEEE P2020標(biāo)準(zhǔn)中圖像噪聲標(biāo)準(zhǔn)的起草工作,其中就包括了SNR參數(shù)。
最后總結(jié)一下,車用CMOS圖像傳感器的信噪比SNR是一個關(guān)鍵的圖像質(zhì)量指標(biāo),它具有非單調(diào)特性,受到汽車應(yīng)用環(huán)境的多因素影響,對SNR的評估是一個多維的綜合評判工作,客觀全面的SNR評價才能真實描述sensor的性能,正確指導(dǎo)車用成像產(chǎn)品的開發(fā)工作。
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