車(chē)用圖像傳感器參數(shù)小議——信噪比知多少？

智能駕駛?cè)缃駶u漸成為汽車(chē)的一個(gè)常見(jiàn)功能，它增強(qiáng)了汽車(chē)和駕駛員的感知能力，降低了駕駛員的工作強(qiáng)度，同時(shí)可以有效提高行車(chē)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(gè)存儲(chǔ)器和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）的組合?；诠璧墓怆娦?yīng)，入射光線(xiàn)會(huì)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(chǔ)，經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。

(資料圖片僅供參考)

從架構(gòu)上看，CMOS圖像傳感器類(lèi)似于一個(gè)存儲(chǔ)器memory，它有大量存儲(chǔ)單元，支持行和列的尋址操作，區(qū)別在于存儲(chǔ)器是電路寫(xiě)入內(nèi)容，而sensor中的內(nèi)容是可見(jiàn)光或近紅外光線(xiàn)寫(xiě)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(lái)源于環(huán)境光線(xiàn)所激發(fā)的有效信號(hào)；另一部分是用戶(hù)不希望的干擾產(chǎn)生的電荷，干擾來(lái)源有很多種，一般統(tǒng)稱(chēng)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(gè)常見(jiàn)的衡量圖像噪聲效果的指標(biāo)是信噪比SNR，即信號(hào)與噪聲的比值。信噪比越大，圖像噪聲相對(duì)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(duì)數(shù)單位dB。

CMOS sensor的數(shù)據(jù)手冊(cè)一般都會(huì)提供信噪比參數(shù)SNR，如下所示。

有一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)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(huì)掉到坑里。

圖2 信噪比SNR曲線(xiàn)

依據(jù)最大SNR點(diǎn)來(lái)評(píng)判sensor有以偏概全的問(wèn)題。根據(jù)需要，用戶(hù)可以選取特定曝光條件Exposure對(duì)應(yīng)的SNR大小來(lái)評(píng)判低照噪聲，SNR越大越好；也可以限定SNR為某個(gè)固定值，例如SNR=5時(shí)，用此時(shí)需要的曝光條件Exposure值大小來(lái)評(píng)判低照噪聲，Exposure值越小意味著達(dá)到同等SNR時(shí)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(xiàn)。汽車(chē)上使用的CMOS sensor，為了匹配全天候應(yīng)用場(chǎng)景，需要很高的動(dòng)態(tài)范圍HDR，HDR常用方法是改變sensor的靈敏度，對(duì)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(xiàn)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(jiàn)《車(chē)用圖像傳感器參數(shù)小議——?jiǎng)討B(tài)范圍》。

sensor的靈敏度變化，對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)系中的SNR線(xiàn)移動(dòng)到不同的位置，最終HDR圖像的SNR曲線(xiàn)演變成多條SNR曲線(xiàn)的擬合結(jié)果，例如圖3的藍(lán)線(xiàn)，它不再是一條單調(diào)遞增曲線(xiàn)，除了低照SNR會(huì)很小以外，高亮區(qū)間還會(huì)出現(xiàn)多個(gè)局部極小值，當(dāng)工作點(diǎn)落在SNR跌落區(qū)間時(shí)，即便此時(shí)環(huán)境很亮，噪聲也會(huì)惡化。

車(chē)用sensor的SNR是一條非單調(diào)的曲線(xiàn)，汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境會(huì)讓問(wèn)題變得更復(fù)雜。sensor是一個(gè)模擬器件，在ADC之前，信號(hào)和噪聲數(shù)據(jù)是以電荷的形式存儲(chǔ)的，sensor的暗電流也會(huì)累積電荷，其產(chǎn)生速度大致上與曝光時(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)以及模擬增益對(duì)暗態(tài)噪聲的影響。SNR同時(shí)是溫度，曝光時(shí)間和模擬增益的函數(shù)，它的曲線(xiàn)已經(jīng)變成多維的曲線(xiàn)簇了。

按照車(chē)用攝像頭有效使用生命周期的溫度分布，超過(guò)88%的生命周期內(nèi)，sensor內(nèi)部的節(jié)溫超過(guò)40℃，超過(guò)80%時(shí)間內(nèi)節(jié)溫超過(guò)60℃，超過(guò)65%時(shí)間內(nèi)節(jié)溫超過(guò)80℃。

目前業(yè)內(nèi)對(duì)車(chē)用圖像傳感器SNR的評(píng)估，常采用歐洲機(jī)器視覺(jué)協(xié)會(huì)的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試。EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)中的信噪比SNR，是基于傳統(tǒng)單調(diào)的線(xiàn)性sensor模型來(lái)定義的，對(duì)于車(chē)用寬動(dòng)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(huì)IEEE正在為汽車(chē)影像定義新的質(zhì)量測(cè)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(chē)用CMOS圖像傳感器的信噪比SNR是一個(gè)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(chē)應(yīng)用環(huán)境的多因素影響，對(duì)SNR的評(píng)估是一個(gè)多維的綜合評(píng)判工作，客觀(guān)全面的SNR評(píng)價(jià)才能真實(shí)描述sensor的性能，正確指導(dǎo)車(chē)用成像產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。

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