汽车机器视觉应用宽动态范围成像

摘要

现实场景的内部具有很宽的亮度变化范围，而且，如果成像器的动态范围不足以捕获场景，则将导致信息的丢失。本文将介绍几种用于捕获宽动态范围场景的解决方案，包括Autobrite，这是一项由赛普拉斯半导体公司开发的技术，具有约120db的高动态范围。基本原理是三晶体管（3T）单元。采用多重复位的像素受控于一种用于对场景中的变化实施补偿的闭环算法。通过针对实际场景来相应地调整捕获参数，该系统可确保在“捕获所有信息”和“有效利用数字灰度值”这两者之间实现最佳折衷。

本文将阐述汽车机器视觉应用中的宽动态范围照相机的要求。文章将描述CMOS图像传感器像素的架构，并探究用于克服噪声及饱和之不良影响（以实现宽动态范围）的机理。 

一个标准像素的线性响应曲线被用来阐明积分时间对动态范围的影响。介绍了几种用于扩展图像传感器动态范围的可选替代方法，包括多重积分和对数响应。说明了由赛普拉斯半导体公司开发的Autobrite® 专有技术。 

对可变高度/多重复位和势垒电压所做的解释充分展示了Autobrite 是如何提供超群的场景间和场景内动态范围的。而有关控制机理的描述则表明了Autobrite 提供自适应和可编程宽动态范围的方法。 

文章得出的结论是：只有采用了Autobrite 技术的照相机才能使图像传感器的动态范围与场景和应用相匹配。具备Autobrite 功能的照相机提供了出众的宽动态范围性能，可用于在驾驶者辅助系统中捕获完整而准确的视觉信息。
 
引言

传感器以最高的保真度来捕获一幅图像的黑暗和明亮部分的能力即为其动态范围。动态范围越高，则从被扫描物体进行的光学图像变换的保真度就越高。

为什么WDR（宽动态范围）很重要？DR（动态范围）是如何定义的？动态范围被定义为导致像素饱和的最大照度与成像器的噪声层相除所得的商。高于饱和电平的信息将会丢失，而任何比噪声层更暗的信息都将无法与噪声区分开来。对该比值取对数再乘以20将给出以db（分贝）为单位的动态范围。
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DR的限制因素是什么？

对于任何传感器而言，其动态范围的限制因素都有两个：1）它在达到饱状态之前所能收集的最大信号和2）传感器的噪声层。下面的例子阐明了噪声层是如何限制成像器的动态范围的。

对宽动态范围成像至关重要的因素包括：

1.    像素的量子效率。它是指光线的光子转换为光电子的效率。效率越高，灵敏度就越高。
2.    转换增益，它指的是把光电子转换为电压的效率。
3.    由热发生电子-空穴对（它们与照射像素的光线无关）产生的暗电流。它是硅芯片的漏电流。暗电流的控制对传感器的动态范围具有极大的影响，尤其是在低照度条件下。
4.    信噪比（SNR）是指传感器的信号电压与噪声电压之比。获得较高SNR的关键是拥有低噪声层和更高的像素灵敏度。

概要：

动态范围的上限受限于传感器中的势阱（负责收集由光子生成的电子）的电荷饱和电平（即：戽斗在不发生电荷溢出和丢失的情况下所能收集和保持的最大电荷量）。动态范围的下限是由噪声所施加的限制条件和/或用于产生数字图像的模拟-数字转换器的量化限值设定的。

量化可采用位于CMOS图像传感器芯片上的智能型ADC器件来处理，因此，在图像的低照度场景中，噪声层将成为影响动态范围的最为至关紧要的因素。

凭借新技术、暗电流的严密控制和积分方法，CMOS传感器已经在宽动态范围成像中表现出卓越的性能。 

用于扩展动态范围的方法 

用于扩展动态范围的方法应满足理想汽车相机的标准，包括自适应性和可编程性。

如前一节所述，采用线性图像传感器的传统照相机存在不少局限性。目前的线性图像传感器技术不能完全捕获一幅场景中存在的动态范围。虽然积分时间是一种扩展场景间动态范围的有效手段，但它并不适用于扩展场景内动态范围。 

本节将说明几种用于扩展动态范围的方法，并对照理想汽车相机的标准对每种方法进行了评估。理想的汽车相机采用了一种可生成具有以下特性的宽动态范围响应曲线的图像传感器：