[논문 리뷰] Unraveling the paradox of intensity-dependent DVS pixel noise

Rui Graca, Tobi Delbrück|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 17.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 12인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 동적 시각 센서(DVS) 픽셀에서 강도에 따라 변하는 노이즈의 역설을 해결한다. 로그 광수용체가 이전에 가정된 바와 같이 일차 시스템이 아니라 이차 시스템으로 행동함을 보여주며, 높은 광전류에서 출력 단계가 입력 노이즈를 필터링함으로써 루트 평균 제곱(RMS) 노이즈 전압과 노이즈 이벤트 레이트가 감소함을 설명한다. 이는 총 노이즈 전력이 일정함에도 불구하고 고조도 조건에서 DVS가 낮은 노이즈를 나타내는 이유를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 측정된 DVS 노이즈 행동과 로그 광수용체 측정에서 이론적으로 예측된 결과 사이의 명백한 모순을 해결하기 위해.
• 총 노이즈 전력이 일정함에도 불구하고 저조도 조건에서 DVS 노이즈 이벤트 레이트가 증가하는 이유를 이해하기 위해.
• 광수용체의 RMS 노이즈 전압, 주파수 성분, 실제 DVS 출력 노이즈 이벤트 레이트 사이의 관계를 명확히 하기 위해.
• 이벤트 임계치와 바이어스 전류와 같은 DVS 픽셀 파라미터 최적화를 위한 이론적 및 실험적 근거를 제공하기 위해.
• 다양한 운영 조건 하에서 DVS 광수용체 성능이 기본 광자 쇼트-노이즈 한계에서 얼마나 떨어져 있는지 정량화하기 위해.

제안 방법

• 다이내믹 비전 센서(DVS) 픽셀의 트랜지스터 수준 SPICE 시뮬레이션을 수행하여 다양한 광전류에서의 노이즈 행동을 분석하였다.
• 시험용 픽셀의 칩 측정을 수행하여 시뮬레이션 결과를 검증하고 실제 환경에서의 노이즈 성능을 추출하였다.
• 광수용체 노이즈의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)를 분석하여 이차 시스템 행동을 규명하고 일차 모델과 대비시켰다.
• DVS 픽셀의 단순화된 일차 저역통과 모델을 개발하여 임계치와 노이즈 대역폭에 따른 노이즈 이벤트 레이트를 시뮬레이션하였다.
• 모델을 사용하여 노이즈 이벤트 레이트가 임계치 대 RMS 노이즈 전압 비율에 따라 의존하는 방식을 유도하였으며, 두 가지 구분되는 운영 영역을 식별하였다.
• 광수용체 노이즈 전압을 로그 강도 단위의 시간적 대비(TC)와 연관지어 전기적 노이즈와 인지적 임계치 사이의 관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 광수용체의 총 노이즈 전력이 일정함에도 불구하고 저조도 조건에서 DVS 노이즈 이벤트 레이트가 증가하는가?
• RQ2 DVS 광수용체의 주파수 응답은 관측된 강도에 따라 변하는 노이즈 행동을 어떻게 설명하는가?
• RQ3 광수용체의 RMS 노이즈 전압과 실제 DVS 출력 노이즈 이벤트 레이트 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 왜 광수용체를 일차 시스템으로 가정하는 것은 DVS 노이즈 성능을 이해하는 데 부적절한가?
• RQ5 노이즈 전력 스펙트럼 밀도와 임계치 설정에 기반한 모델을 사용하여 노이즈 이벤트 레이트를 예측하고 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 고광전류에서 출력 단계의 폴이 지배적이므로 DVS 광수용체는 이전에 가정된 일차 시스템이 아니라 이차 시스템으로 행동한다.
• 고광전류 조건에서 출력 단계가 입력 노이즈를 필터링함으로써 RMS 노이즈 전압이 감소하고, 결과적으로 노이즈 이벤트 레이트가 감소한다.
• 광수용체의 총 RMS 노이즈 전압은 광전류가 증가함에 따라 감소하는 반면, 일차 모델 예측는 일정한 노이즈를 가정한다.
• 저조도 조건에서 노이즈 이벤트 레이트는 광전류 증가에 따라 비례 초과로 증가한다. 이는 고주파 성분이 더 쉽게 이벤트를 유도하기 때문이다.
• 일반적인 DVS 임계치(θ > 2 × V_n,rms) 조건에서 노이즈 이벤트 레이트는 임계치 대 노이즈 비율이 증가함에 따라 지수적으로 감소하며, 이는 임계치 설정에 매우 민감함을 시사한다.
• 노이즈 이벤트 레이트는 노이즈 PSD의 3dB 절곡 주파수에 비례함을 확인하여 스펙트럼 성분이 출력 노이즈 예측에 핵심적임을 입증하였다.