车用图像传感器参数小议，一文带你读懂信噪比收藏

智能驾驶如今渐渐成为汽车的一个常见功能，它增强了汽车和驾驶员的感知能力，降低了驾驶员的工作强度，同时可以有效提高行车的安全性这其中，基于CMOS 图像传感器的摄像头是智能驾驶系统感知外界环境的主要工具之一。

CMOS图像传感器是成像sensor，它本质上是一个存储器和模数转换（ADC）的组合。基于硅的光电效应，入射光线会在传感器像素的感光二极管中激发电荷，电荷被收集存储，经过ADC转换为数字输出。

图1 光电效应从架构上看，CMOS图像传感器类似于一个存储器memory，它有大量存储单元，支持行和列的寻址操作，区别在于存储器是电路写入内容，而sensor中的内容是可见光或近红外光线写入的传感器收集到的电荷包括两部分：一部分是我们期望的电荷，来源于环境光线所激发的有效信号；另一部分是用户不希望的干扰产生的电荷，干扰来源有很多种，一般统称为噪声。

我们希望图像中的有效信息越多越好，干扰噪声越少越好一个常见的衡量图像噪声效果的指标是信噪比SNR，即信号与噪声的比值信噪比越大，图像噪声相对含量越少，图像质量越好SNR的单位可以是比值，也可以转成对数单位dB。

CMOS sensor的数据手册一般都会提供信噪比参数SNR，如下所示。

有一个常见的问题：46dB信噪比的sensor是不是比43dB的sensor低照效果更好？答案是未必，脱离条件的结论往往会掉到坑里SNR不是一个点，它是光照条件的函数，如图2，SNR会随着光照强度变化变成一条曲线。

当它作为低照效果指标时，要求选取低照条件下的SNR值而业内sensor数据手册上的SNR参数通常是SNR最大值，对应于光照环境非常明亮时的SNR值，即图中蓝色SNR曲线右上角的SNR Max点而蓝线位于左下角区域的SNR值才适合作为评估低照的参数，此时的光照不足，对应于低照环境。

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图2 信噪比SNR曲线依据最大SNR点来评判sensor有以偏概全的问题根据需要，用户可以选取特定曝光条件Exposure对应的SNR大小来评判低照噪声，SNR越大越好；也可以限定SNR为某个固定值，例如SNR=5时，用此时需要的曝光条件Exposure值大小来评判低照噪声，Exposure值越小意味着达到同等SNR时需要的光照资源越少，sensor的低照性能越好。

图2显示的是普通sensor的SNR，是单调递增的曲线汽车上使用的CMOS sensor，为了匹配全天候应用场景，需要很高的动态范围HDR，HDR常用方法是改变sensor的灵敏度，对环境的不同亮度分别采样，再把多次采样的图像帧映射到标准化的线性数据空间，最后从不同灵敏度帧中选取合适像素，拼成一张完整的图像帧，参见《车用图像传感器参数小议——动态范围》。

sensor的灵敏度变化，对应于坐标系中的SNR线移动到不同的位置，最终HDR图像的SNR曲线演变成多条SNR曲线的拟合结果，例如图3的蓝线，它不再是一条单调递增曲线，除了低照SNR会很小以外，高亮区间还会出现多个局部极小值，当工作点落在SNR跌落区间时，即便此时环境很亮，噪声也会恶化。

这在图像上会出现一个违背人眼感知习惯的现象，即随着亮度增强，图像的质量会从差到好，然后又突然恶化的情况因此与传统线性sensor不同，车用宽动态sensor的信噪比还需要评估高亮条件下的极小值指标

图3 HDR图像的SNR

图4 SNR和噪声车用sensor的SNR是一条非单调的曲线，汽车应用环境会让问题变得更复杂sensor是一个模拟器件，在ADC之前，信号和噪声数据是以电荷的形式存储的，sensor的暗电流也会累积电荷，其产生速度大致上与曝光时长成正比，与温度呈指数关系。

所以我们还必须考虑温度，曝光时长以及模拟增益对暗态噪声的影响SNR同时是温度，曝光时间和模拟增益的函数，它的曲线已经变成多维的曲线簇了以温度影响为例，图5是SNR=10时需要的Exposure值随sensor内部温度升高的变化趋势，我们可以看到，不同sensor对温漂的敏感度是不一样的，这两个sensor的SNR曝光值在60°C时发生交叉，意味着在室温25℃和高温80℃分别评估时，得出的SNR结论截然相反。

图5 晶圆内部温度影响按照车用摄像头有效使用生命周期的温度分布，超过88%的生命周期内，sensor内部的节温超过40℃，超过80%时间内节温超过60℃，超过65%时间内节温超过80℃温漂影响会导致SNR曲线发生进一步变化。

如图6红色虚线示意，当温度升高后，SNR曲线在低照区域和高亮局部区域会继续下跌

图6 温度对HDR SNR影响目前业内对车用图像传感器SNR的评估，常采用欧洲机器视觉协会的EMVA1288标准来测试EMVA1288标准中的信噪比SNR，是基于传统单调的线性sensor模型来定义的，对于车用宽动态图像传感器 SNR特性的描述并不完善。

电气与电子工程师协会IEEE正在为汽车影像定义新的质量测试标准P2020，作为工作组成员之一，安森美公司承担了IEEE P2020标准中图像噪声标准的起草工作，其中就包括了SNR参数最后总结一下，车用CMOS图像传感器的信噪比SNR是一个关键的图像质量指标，它具有非单调特性，受到汽车应用环境的多因素影响，对SNR的评估是一个多维的综合评判工作，客观全面的SNR评价才能真实描述sensor的性能，正确指导车用成像产品的开发工作。

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