車用影像感測器參數小議－訊號雜訊比

作者| 安森美中國區汽車現場應用工程經理William Chen

#智慧駕駛如今漸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，降低了駕駛者的工作強度，同時也能有效提升行車的安全性。這其中，基於CMOS 影像感測器的攝影機是智慧駕駛系統感知外部環境的主要工具之一。

CMOS影像感測器是成像sensor，它本質上是一個記憶體和類比數位轉換（ADC）的組合。基於矽的光電效應，入射光線會在感測器像素的感光二極體中激發電荷，電荷被收集存儲，經過ADC轉換為數位輸出。

Figure 1光電效應

從架構上看，CMOS影像感測器類似一個記憶體memory，它有大量儲存單元，支援行和列的定址操作，差別在於記憶體是電路寫入內容，而sensor中的內容是可見光或近紅外線光線寫入的。

感測器收集到的電荷包含兩部分：一部分是我們期望的電荷，來自環境光線所激發的有效訊號；另一部分是使用者不希望的干擾所產生的電荷，幹擾來源有很多種，一般統稱為雜訊。

我們希望影像中的有效資訊越多越好，幹擾雜訊越少越好。一個常見的衡量影像雜訊效果的指標是訊號雜訊比SNR，即訊號與雜訊的比值。訊號雜訊比越大，影像雜訊相對含量越少，影像品質越好。 SNR的單位可以是比值，也可以轉換成對數單位dB。

CMOS#sensor的資料手冊一般都會提供訊號雜訊比參數SNR，如下所示。

#有一個常見的問題：##46dB訊號雜訊比的sensor是不是比43dB的sensor低照效果好？

答案是未必，脫離條件的結論往往會掉到坑裡。

SNR不是點，它是光照條件的函數，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。而業內sensor資料手冊上的SNR參數通常是SNR最大值，對應於光照環境非常明亮時的SNR值，即圖中藍色SNR曲線右上角的SNR Max

點。而藍線位於左下角區域的SNR值才適合作為評估低照的參數，此時的光照不足，對應於低照環境。這就像賣蘋果，放在上面一層是最好的，你需要翻開籃子，看看裡面蘋果的品質如何。

Figure 2訊號雜訊比SNR曲線

###### ###### ######依據最大SNR點來評斷sensor有以偏概全的問題。根據需要，使用者可以選取特定曝光條件Exposure對應的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，用此時所需的曝光條件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，就是單調遞增的曲線。車上使用的CMOS sensor，為了符合全天候應用場景，需要很高的動態範圍HDR，HDR常用方法是改變sensor的靈敏度，對環境的不同亮度分別取樣，再把多次採樣的影像幀映射到標準化的線性資料空間，最後從不同靈敏度幀中選取合適像素，拼成一張完整的影像幀，請參閱《車用影像感測器參數小議—動態範圍》。

sensor的靈敏度變化，對應於座標系中的SNR線移動到不同的位置，最終HDR影像的SNR曲線演變成多條SNR曲線的擬合結果，例如圖3的藍線，它不再是一條單調遞增曲線，除了低照SNR會很小以外，高亮區間還會出現多個局部極小值，當工作點落在SNR跌落區間時，即便此時環境很亮，噪音也會惡化。

這在影像上會出現違背人眼感知習慣的現象，也就是隨著亮度增強，影像的品質會從差到好，然後突然惡化的情況。因此與傳統線性sensor不同，車用寬動態sensor的訊噪比也需要評估高亮條件下的極小值指標。

Figure 3 #HDR映像的SNR

Figure 4 SNR和噪音

#車用sensor的SNR是一條非單調的曲線，汽車應用環境會讓問題改變得更複雜。 sensor是一個類比裝置，在ADC之前，訊號和雜訊資料是以電荷的形式儲存的，sensor的暗電流也會累積電荷，其產生速度大致上與曝光時長成正比，與溫度呈指數關係。所以我們還必須考慮溫度，曝光時長以及類比增益對暗態雜訊的影響。 SNR同時是溫度，曝光時間和模擬增益的函數，它的曲線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內部溫度升高的變化趨勢，我們可以看到，不同s##ensor對溫漂的敏感度是不一樣的，這兩個sensor的SNR曝光值在60°C時發生交叉，這意味著在室溫25℃與高溫80℃分別評估時，所得的SNR結論則截然相反。

Figure 5 #晶圓內部溫度影響

#依照車用攝影機有效使用生命週期的溫度分佈，超過88%的生命週期內，sensor內部的節溫超過40℃，超過8##0% 時間內節溫超過60℃，超過65%時間內節溫超過8 #0℃。

溫漂影響會導致SNR曲線進一步變化。如圖6紅色虛線示意，當溫度升高後，SNR曲線在低照區域和高亮局部區域會持續下跌。

Figure

6 #溫度對HDR SNR影響

#目前業界對車用影像感測器SNR的評估，常採用歐洲機器視覺協會的EMVA1288#標準來測試。 EMVA1288標準中的信噪比SNR，是基於傳統單調的線性sensor模型來定義的，對於車用寬動態影像感測器 SNR特性的描述並不完善。電機與電子工程師協會IEEE正在為汽車影像定義新的品質測試標準P#2020，作為工作小組成員之一，安森美公司承擔了IEEE P2020標準中影像雜訊標準的起草工作，其中就包含了SNR參數。

最後總結一下，車用CMOS影像感測器的訊號雜訊比SNR是一個關鍵的影像品質指標，它具有非單調特性，受到汽車應用環境的多因素影響，對SNR的評估是一個多維度的綜合評判工作，客觀全面的SNR評估才能真實描述sensor的性能，正確指導車用成像產品的開發工作。

以上是車用影像感測器參數小議－訊號雜訊比的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！