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車用圖像傳感器參數(shù)小議——信噪比知多少?

安森美 ? 來源:未知 ? 2023-08-16 19:15 ? 次閱讀

本文作者:安森美(onsemi)中國區(qū)汽車現(xiàn)場應(yīng)用工程經(jīng)理William Chen

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。

CMOS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。基于硅的光電效應(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。wKgZomToRmCAPCs1AAAAjgjvZ2U466.png

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圖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。

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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。

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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。當它作為低照效果指標時,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)境非常明亮時的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。

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圖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準化的線性數(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。

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圖3 HDR圖像的SNR

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圖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。

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圖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。wKgZomToRmCAPCs1AAAAjgjvZ2U466.png

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圖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標準來測試。EMVA1288標準中的信噪比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)量測試標準P2020,作為工作組成員之一,安森美公司承擔了IEEE P2020標準中圖像噪聲標準的起草工作,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,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。

wKgZomToRmGANhK2AAKE7wMSlkU880.gif ? ?兩場主題研討會報名隨著汽車的連接性越來越強,并向自動駕駛邁進,安全性比以往任何時候都更重要。安森美對汽車應(yīng)用和趨勢的了解,加上在圖像感知方面的工程專長,助力客戶能夠開發(fā)出下一代產(chǎn)品,以邁向徹底消除交通死亡和重傷的 「零愿景 」 戰(zhàn)略。

安森美新一代 Hyperlux 傳感器提供 300 萬像素、800 萬像素、以及更高像素選擇,能夠捕捉 150dB 超高動態(tài)范圍(HDR)圖像,單次曝光無閃爍動態(tài)范圍 120dB。

直播主題 wKgZomToRmGAX61dAAABh8giHJI000.png

利用汽車圖像傳感器向更安全的道路邁進

直播時間 wKgZomToRmGAX61dAAABh8giHJI000.png

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wKgZomToRmKALDBdAAIMgixm7s8932.png ?Kandy Xiong安森美現(xiàn)場應(yīng)用工程師

Kandy Xiong負責華南地區(qū)客戶汽車圖像傳感器的推廣工作,他在圖像傳感器架構(gòu)、汽車圖像應(yīng)用方案擁有近15年豐富專業(yè)經(jīng)驗。

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安森美車用圖像傳感器發(fā)展趨勢與應(yīng)用

直播時間 wKgZomToRmGAX61dAAABh8giHJI000.png

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專家介紹

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wKgZomToRmKADtk_AAHniDPOYDQ773.png ?Burton Ho安森美FAE

Burton Ho擁有將近20年的圖像相關(guān)工作經(jīng)驗,熟悉圖像SOC平臺等,搭配接洽過許多國際大廠項目,目前負責安森美智能感知部門的車用及消費型產(chǎn)品技術(shù)支持。

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原文標題:車用圖像傳感器參數(shù)小議——信噪比知多少?

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