【導讀】智(zhi)能(neng)駕(jia)駛(shi)如(ru)今(jin)漸(jian)漸(jian)成(cheng)為(wei)汽(qi)車(che)的(de)一(yi)個(ge)常(chang)見(jian)功(gong)能(neng)
，它(ta)增(zeng)強(qiang)了(le)汽(qi)車(che)和(he)駕(jia)駛(shi)員(yuan)的(de)感(gan)知(zhi)能(neng)力(li)，降(jiang)低(di)了(le)駕(jia)駛(shi)員(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)強(qiang)度(du)，同(tong)時(shi)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)提(ti)高(gao)行(xing)車(che)的(de)安(an)全(quan)性(xing)。這(zhe)其(qi)中(zhong)，基(ji)於(yu)CMOS 圖像傳感器的攝像頭是智能駕駛係統感知外界環境的主要工具之一。

CMOS圖像傳感器是成像sensor，它本質上是一個存儲器和模數轉換（ADC）的組合。基於矽的光電效應
，入射光線會在傳感器像素的感光二極管中激發電荷，電荷被收集存儲，經過ADC轉換為數字輸出。圖片

圖1 光電效應

從架構上看

，CMOS圖像傳感器類似於一個存儲器memory
，它有大量存儲單元，支持行和列的尋址操作，區別在於存儲器是電路寫入內容，而sensor中的內容是可見光或近紅外光線寫入的。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

，來源於環境光線所激發的有效信號；另一部分是用戶不希望的幹擾產生的電荷

，幹擾來源有很多種
，一般統稱為噪聲。

我們希望圖像中的有效信息越多越好，幹擾噪聲越少越好。一個常見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提供信噪比參數SNR，如下所示。

有一個常見的問題：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掉到坑裏。

SNR不是一個點，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數據手冊上的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SNRzhicaishihezuoweipinggudizhaodecanshu
，cishideguangzhaobuzu
，duiyingyudizhaohuanjing。zhejiuxiangmaipingguo，fangzaishangmianyicengshizuihaode
，nixuyaofankailanzi


，kankanlimianpingguodezhiliangruhe。

圖2 信噪比SNR曲線

依據最大SNR點來評判sensor有以偏概全的問題。根據需要，用戶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，用此時需要的曝光條件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，是單調遞增的曲線。汽車上使用的CMOS sensor，為了匹配全天候應用場景，需要很高的動態範圍HDR，HDR常用方法是改變sensor的de靈ling敏min度du

，對dui環huan境jing的de不bu同tong亮liang度du分fen別bie采cai樣yang
，再zai把ba多duo次ci采cai樣yang的de圖tu像xiang幀zhen映ying射she到dao標biao準zhun化hua的de線xian性xing數shu據ju空kong間jian
，最zui後hou從cong不bu同tong靈ling敏min度du幀zhen中zhong選xuan取qu合he適shi像xiang素su，拚pin成cheng一yi張zhang完wan整zheng的de圖tu像xiang幀zhen
，參can見jian《車用圖像傳感器參數小議——動態範圍》。

sensor的靈敏度變化，對應於坐標係中的SNR線移動到不同的位置，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，噪聲也會惡化。

這在圖像上會出現一個違背人眼感知習慣的現象
，即隨著亮度增強
，圖像的質量會從差到好，然後又突然惡化的情況。因此與傳統線性sensor不同，車用寬動態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

車用sensor的SNR是一條非單調的曲線，汽車應用環境會讓問題變得更複雜。sensor是一個模擬器件
，在ADC之前，信號和噪聲數據是以電荷的形式存儲的，sensor的(de)暗(an)電(dian)流(liu)也(ye)會(hui)累(lei)積(ji)電(dian)荷(he)，其(qi)產(chan)生(sheng)速(su)度(du)大(da)致(zhi)上(shang)與(yu)曝(pu)光(guang)時(shi)長(chang)成(cheng)正(zheng)比(bi)，與(yu)溫(wen)度(du)呈(cheng)指(zhi)數(shu)關(guan)係(xi)。所(suo)以(yi)我(wo)們(men)還(hai)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)溫(wen)度(du)，曝(pu)光(guang)時(shi)長(chang)以(yi)及(ji)模(mo)擬(ni)增(zeng)益(yi)對(dui)暗(an)態(tai)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。SNR同時是溫度
，曝光時間和模擬增益的函數，它的曲線已經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sensor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
，意味著在室溫25℃和高溫80℃分別評估時，得出的SNR結論截然相反。

圖5 晶圓內部溫度影響

按照車用攝像頭有效使用生命周期的溫度分布，超過88%的生命周期內，sensor內部的節溫超過40℃，超過80%時間內節溫超過60℃，超過65%時間內節溫超過80℃。

溫漂影響會導致SNR曲線發生進一步變化。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繼續下跌。圖片

圖6 溫度對HDR SNR影響

目前業內對車用圖像傳感器SNR的評估，常采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，對於車用寬動態圖像傳感器 SNR特性的描述並不完善。電氣與電子工程師協會IEEE正在為汽車影像定義新的質量測試標準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。

最後總結一下，車用CMOS圖像傳感器的信噪比SNR是一個關鍵的圖像質量指標
，它具有非單調特性，受到汽車應用環境的多因素影響
，對SNR的評估是一個多維的綜合評判工作，客觀全麵的SNR評價才能真實描述sensor的性能，正確指導車用成像產品的開發工作。

本文作者：安森美(onsemi)中國區汽車現場應用工程經理William Chen

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