【導(dǎo)讀】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。圖片
圖1 光電效應(yīng)
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。
SNR不是一個(gè)點(diǎn),它是光照條件的函數(shù),如圖2,SNR會(huì)隨著光照強(qiáng)度變化變成一條曲線(xiàn)。當(dāng)它作為低照效果指標(biāo)時(shí),要求選取低照條件下的SNR值。而業(yè)內(nèi)sensor數(shù)據(jù)手冊(cè)上的SNR參數(shù)通常是SNR最大值,對(duì)應(yīng)于光照環(huán)境非常明亮?xí)r的SNR值,即圖中藍(lán)色SNR曲線(xiàn)右上角的SNR Max點(diǎn)。而藍(lán)線(xiàn)位于左下角區(qū)域的SNR值才適合作為評(píng)估低照的參數(shù),此時(shí)的光照不足,對(duì)應(yīng)于低照環(huán)境。這就像賣(mài)蘋(píng)果,放在上面一層是最好的,你需要翻開(kāi)籃子,看看里面蘋(píng)果的質(zhì)量如何。
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。
這在圖像上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)違背人眼感知習(xí)慣的現(xiàn)象,即隨著亮度增強(qiáng),圖像的質(zhì)量會(huì)從差到好,然后又突然惡化的情況。因此與傳統(tǒng)線(xiàn)性sensor不同,車(chē)用寬動(dòng)態(tài)sensor的信噪比還需要評(píng)估高亮條件下的極小值指標(biāo)。
圖3 HDR圖像的SNR
圖4 SNR和噪聲
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。
以溫度影響為例,圖5是SNR=10時(shí)需要的Exposure值隨sensor內(nèi)部溫度升高的變化趨勢(shì),我們可以看到,不同sensor對(duì)溫漂的敏感度是不一樣的,這兩個(gè)sensor的SNR曝光值在60°C時(shí)發(fā)生交叉,意味著在室溫25℃和高溫80℃分別評(píng)估時(shí),得出的SNR結(jié)論截然相反。
圖5 晶圓內(nèi)部溫度影響
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℃。
溫漂影響會(huì)導(dǎo)致SNR曲線(xiàn)發(fā)生進(jìn)一步變化。如圖6紅色虛線(xiàn)示意,當(dāng)溫度升高后,SNR曲線(xiàn)在低照區(qū)域和高亮局部區(qū)域會(huì)繼續(xù)下跌。圖片
圖6 溫度對(duì)HDR SNR影響
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。
本文作者:安森美(onsemi)中國(guó)區(qū)汽車(chē)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程經(jīng)理William Chen
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