本文作者：安森美(onsemi)中國(guó)區(qū)汽車現(xiàn)場(chǎng)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(gè)常見(jiàn)功能，它增強(qiáng)了汽車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)境光線所激發(fā)的有效信號(hào)；另一部分是用戶不希望的干擾產(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。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曲線右上角的SNR Max點(diǎn)。而藍(lán)線位于左下角區(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
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。汽車上使用的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線移動(dòng)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(lán)線，它不再是一條單調(diào)遞增曲線，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)線性sensor不同，車用寬動(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
