[論文レビュー] Unraveling the paradox of intensity-dependent DVS pixel noise

Rui Graca, Tobi Delbrück|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 12被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、動的ビジョンセンサ（DVS）ピクセルにおける強度依存性ノイズのパラドックスを解消する。著者らは、対数的フォトリセプタが第一順位系ではなく第二順位系として振る舞うことを示した。高い光電流では、出力段が入力ノイズをフィルタリングし、RMSノイズ電圧とノイズイベントレートを低減する。これは、DVSが総ノイズパワーが一定であるにもかかわらず、高照度でより低いノイズを示す理由を説明する。

ABSTRACT

Dynamic vision sensor (DVS) event camera output is affected by noise, particularly in dim lighting conditions. A theory explaining how photon and electron noise affect DVS output events has so far not been developed. Moreover, there is no clear understanding of how DVS parameters and operating conditions affect noise. There is an apparent paradox between the real noise data observed from the DVS output and the reported noise measurements of the logarithmic photoreceptor. While measurements of the logarithmic photoreceptor predict that the photoreceptor is approximately a first-order system with RMS noise voltage independent of the photocurrent, DVS output shows higher noise event rates at low light intensity. This paper unravels this paradox by showing how the DVS photoreceptor is a second-order system, and the assumption that it is first-order is generally not reasonable. As we show, at higher photocurrents, the photoreceptor amplifier dominates the frequency response, causing a drop in RMS noise voltage and noise event rate. We bring light to the noise performance of the DVS photoreceptor by presenting a theoretical explanation supported by both transistor-level simulation results and chip measurements.

研究の動機と目的

• 対数的フォトリセプタ測定からの理論的予測と、測定されたDVSノイズ行動との間の明らかな矛盾を解消すること。
• 総ノイズパワーが一定であるにもかかわらず、低照度でDVSノイズイベントレートが増加する理由を理解すること。
• フォトリセプタのRMSノイズ電圧、周波数成分、および実際のDVS出力ノイズイベントレートとの関係を明確にすること。
• イベントしきい値やバイアス電流などのDVSピクセルパラメータ最適化のための理論的・実験的根拠を提供すること。
• さまざまな動作条件下でのDVSフォトリセプタ性能が、根本的な光子ショットノイズ限界からどの程度離れているかを定量化すること。

提案手法

• DVSピクセルのトランジスタレベルSPICEシミュレーションを実施し、さまざまな光電流におけるノイズ行動を分析した。
• テストピクセルのチップ測定を実施し、シミュレーション結果の妥当性を検証し、実世界のノイズ性能を抽出した。
• フォトリセプタノイズのパワー スペクトル密度（PSD）を分析し、第二順位系の挙動を特定。第一順位モデルと対比した。
• DVSピクセルの簡略化された第一順位ローパassモデルを構築し、しきい値とノイズ帯域幅の関数としてノイズイベントレートをシミュレートした。
• モデルを用いて、ノイズイベントレートがしきい値とRMSノイズ電圧の比にどのように依存するかを導出し、2つの明確な動作領域を特定した。
• フォトリセプタノイズ電圧と、対数的照度単位での時間的コントラスト（TC）を関連付け、電気的ノイズと知覚しきい値の関係を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトリセプタの総ノイズパワーが一定であるにもかかわらず、なぜDVSノイズイベントレートが低照度で増加するのか？
• RQ2 DVSフォトリセプタの周波数応答は、観察された強度依存性ノイズ行動をどのように説明するのか？
• RQ3 フォトリセプタのRMSノイズ電圧と実際のDVS出力ノイズイベントレートとの関係は何か？
• RQ4 フォトリセプタを第一順位系として仮定することは、DVSノイズ性能を理解する上でなぜ誤りなのか？
• RQ5 ノイズパワー スペクトル密度としきい値設定に基づくモデルを用いて、ノイズイベントレートを予測・最適化できるか？

主な発見

• 高光電流では出力段の極が支配的となり、DVSフォトリセプタは第一順位ではなく第二順位系として振る舞う。
• 高光電流では出力段が入力ノイズをフィルタリングし、RMSノイズ電圧を低減し、結果としてノイズイベントレートが低下する。
• フォトリセプタの総RMSノイズ電圧は光電流が増加するにつれて減少するが、これは第一順位モデルの予測（ノイズが一定）とは逆である。
• 低照度では、高周波数成分のノイズがイベントをより容易にトリガーするため、ノイズイベントレートは光電流に比例してより顕著に増加する。
• 一般的なDVSのしきい値（θ > 2 × V_n,rms）では、ノイズイベントレートはしきい値/ノイズ比が増加するにつれて指数関数的に低下し、しきい値設定に強く依存することが示された。
• ノイズイベントレートは、ノイズPSDの3dBカットオフ周波数に比例しており、スペクトル内容が出力ノイズを予測する上で重要であることを確認した。