【導讀】智能駕駛如今漸漸成為汽車(chē)的一個(gè)常見(jiàn)功能，它增強了汽車(chē)和駕駛員的感知能力，降低了駕駛員的工作強度，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)存儲器和模數轉換（ADC）的組合?；诠璧墓怆娦?，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，經(jīng)過(guò)ADC轉換為數字輸出。圖片
圖1 光電效應
從架構上看，CMOS圖像傳感器類(lèi)似于一個(gè)存儲器memory，它有大量存儲單元，支持行和列的尋址操作，區別在于存儲器是電路寫(xiě)入內容，而sensor中的內容是可見(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；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，也可以轉成對數單位dB。
CMOS sensor的數據手冊一般都會(huì )提供信噪比參數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，如圖2，SNR會(huì )隨著(zhù)光照強度變化變成一條曲線(xiàn)。當它作為低照效果指標時(shí)，要求選取低照條件下的SNR值。而業(yè)內sensor數據手冊上的SNR參數通常是SNR最大值，對應于光照環(huán)境非常明亮時(shí)的SNR值，即圖中藍色SNR曲線(xiàn)右上角的SNR Max點(diǎn)。而藍線(xiàn)位于左下角區域的SNR值才適合作為評估低照的參數，此時(shí)的光照不足，對應于低照環(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)
依據最大SNR點(diǎn)來(lái)評判sensor有以偏概全的問(wèn)題。根據需要，用戶(hù)可以選取特定曝光條件Exposure對應的SNR大小來(lái)評判低照噪聲，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)評判低照噪聲，Exposure值越小意味著(zhù)達到同等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，是單調遞增的曲線(xiàn)。汽車(chē)上使用的CMOS sensor，為了匹配全天候應用場(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(xiàn)性數據空間，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)用圖像傳感器參數小議——動(dòng)態(tài)范圍》。
sensor的靈敏度變化，對應于坐標系中的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)的擬合結果，例如圖3的藍線(xiàn)，它不再是一條單調遞增曲線(xiàn)，除了低照SNR會(huì )很小以外，高亮區間還會(huì )出現多個(gè)局部極小值，當工作點(diǎn)落在SNR跌落區間時(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 )出現一個(gè)違背人眼感知習慣的現象，即隨著(zhù)亮度增強，圖像的質(zhì)量會(huì )從差到好，然后又突然惡化的情況。因此與傳統線(xiàn)性sensor不同，車(chē)用寬動(dòng)態(tài)sensor的信噪比還需要評估高亮條件下的極小值指標。
圖3 HDR圖像的SNR
圖4 SNR和噪聲
車(chē)用sensor的SNR是一條非單調的曲線(xiàn)，汽車(chē)應用環(huán)境會(huì )讓問(wèn)題變得更復雜。sensor是一個(gè)模擬器件，在A(yíng)DC之前，信號和噪聲數據是以電荷的形式存儲的，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(cháng)成正比，與溫度呈指數關(guān)系。所以我們還必須考慮溫度，曝光時(shí)長(cháng)以及模擬增益對暗態(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，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(gè)sensor的SNR曝光值在60°C時(shí)發(fā)生交叉，意味著(zhù)在室溫25℃和高溫80℃分別評估時(shí)，得出的SNR結論截然相反。
圖5 晶圓內部溫度影響
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，sensor內部的節溫超過(guò)40℃，超過(guò)80%時(shí)間內節溫超過(guò)60℃，超過(guò)65%時(shí)間內節溫超過(guò)80℃。
溫漂影響會(huì )導致SNR曲線(xiàn)發(fā)生進(jìn)一步變化。如圖6紅色虛線(xiàn)示意，當溫度升高后，SNR曲線(xiàn)在低照區域和高亮局部區域會(huì )繼續下跌。圖片
圖6 溫度對HDR SNR影響
目前業(yè)內對車(chē)用圖像傳感器SNR的評估，常采用歐洲機器視覺(jué)協(xié)會(huì )的EMVA1288標準來(lái)測試。EMVA1288標準中的信噪比SNR，是基于傳統單調的線(xiàn)性sensor模型來(lái)定義的，對于車(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。
最后總結一下，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，它具有非單調特性，受到汽車(chē)應用環(huán)境的多因素影響，對SNR的評估是一個(gè)多維的綜合評判工作，客觀(guān)全面的SNR評價(jià)才能真實(shí)描述sensor的性能，正確指導車(chē)用成像產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作。
本文作者：安森美(onsemi)中國區汽車(chē)現場(chǎng)應用工程經(jīng)理William Chen
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