汽車機器視覺應用寬動態范圍成像

摘要

現實場景的內部具有很寬的亮度變化范圍，而且，如果成像器的動態范圍不足以捕獲場景，則將導致信息的丟失。本文將介紹幾種用于捕獲寬動態范圍場景的解決方案，包括Autobrite，這是一項由賽普拉斯半導體公司開發的技術，具有約120db的高動態范圍。基本原理是三晶體管（3T）單元。采用多重復位的像素受控于一種用于對場景中的變化實施補償的閉環算法。通過針對實際場景來相應地調整捕獲參數，該系統可確保在“捕獲所有信息”和“有效利用數字灰度值”這兩者之間實現最佳折衷。

本文將闡述汽車機器視覺應用中的寬動態范圍照相機的要求。文章將描述CMOS圖像傳感器像素的架構，并探究用于克服噪聲及飽和之不良影響（以實現寬動態范圍）的機理。 

一個標準像素的線性響應曲線被用來闡明積分時間對動態范圍的影響。介紹了幾種用于擴展圖像傳感器動態范圍的可選替代方法，包括多重積分和對數響應。說明了由賽普拉斯半導體公司開發的Autobrite® 專有技術。 

對可變高度/多重復位和勢壘電壓所做的解釋充分展示了Autobrite 是如何提供超群的場景間和場景內動態范圍的。而有關控制機理的描述則表明了Autobrite 提供自適應和可編程寬動態范圍的方法。 

文章得出的結論是：只有采用了Autobrite 技術的照相機才能使圖像傳感器的動態范圍與場景和應用相匹配。具備Autobrite 功能的照相機提供了出眾的寬動態范圍性能，可用于在駕駛者輔助系統中捕獲完整而準確的視覺信息。
 
引言

傳感器以最高的保真度來捕獲一幅圖像的黑暗和明亮部分的能力即為其動態范圍。動態范圍越高，則從被掃描物體進行的光學圖像變換的保真度就越高。

為什么WDR（寬動態范圍）很重要？DR（動態范圍）是如何定義的？動態范圍被定義為導致像素飽和的最大照度與成像器的噪聲層相除所得的商。高于飽和電平的信息將會丟失，而任何比噪聲層更暗的信息都將無法與噪聲區分開來。對該比值取對數再乘以20將給出以db（分貝）為單位的動態范圍。
|
DR的限制因素是什么？

對于任何傳感器而言，其動態范圍的限制因素都有兩個：1）它在達到飽狀態之前所能收集的最大信號和2）傳感器的噪聲層。下面的例子闡明了噪聲層是如何限制成像器的動態范圍的。

對寬動態范圍成像至關重要的因素包括：

1.    像素的量子效率。它是指光線的光子轉換為光電子的效率。效率越高，靈敏度就越高。
2.    轉換增益，它指的是把光電子轉換為電壓的效率。
3.    由熱發生電子-空穴對（它們與照射像素的光線無關）產生的暗電流。它是硅芯片的漏電流。暗電流的控制對傳感器的動態范圍具有極大的影響，尤其是在低照度條件下。
4.    信噪比（SNR）是指傳感器的信號電壓與噪聲電壓之比。獲得較高SNR的關鍵是擁有低噪聲層和更高的像素靈敏度。

概要：

動態范圍的上限受限于傳感器中的勢阱（負責收集由光子生成的電子）的電荷飽和電平（即：戽斗在不發生電荷溢出和丟失的情況下所能收集和保持的最大電荷量）。動態范圍的下限是由噪聲所施加的限制條件和/或用于產生數字圖像的模擬-數字轉換器的量化限值設定的。

量化可采用位于CMOS圖像傳感器芯片上的智能型ADC器件來處理，因此，在圖像的低照度場景中，噪聲層將成為影響動態范圍的最為至關緊要的因素。

憑借新技術、暗電流的嚴密控制和積分方法，CMOS傳感器已經在寬動態范圍成像中表現出卓越的性能。 

用于擴展動態范圍的方法 

用于擴展動態范圍的方法應滿足理想汽車相機的標準，包括自適應性和可編程性。

如前一節所述，采用線性圖像傳感器的傳統照相機存在不少局限性。目前的線性圖像傳感器技術不能完全捕獲一幅場景中存在的動態范圍。雖然積分時間是一種擴展場景間動態范圍的有效手段，但它并不適用于擴展場景內動態范圍。 

本節將說明幾種用于擴展動態范圍的方法，并對照理想汽車相機的標準對每種方法進行了評估。理想的汽車相機采用了一種可生成具有以下特性的寬動態范圍響應曲線的圖像傳感器：