[论文解读] Exploiting Alternating DVS Shot Noise Event Pair Statistics to Reduce Background Activity

Brian McReynolds, Rui Graca+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2023

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用 6

一句话总结

本文提出两种新颖的偏置技术，通过利用像素复位逻辑导致的相反极性SNE成对出现的统计趋势，在低照度条件下降低动态视觉传感器（DVS）的散粒噪声事件（SNE）率。通过延长不应期或不平衡ON/OFF阈值，作者在不牺牲灵敏度和时间分辨率的前提下，分别实现了50%和80%的SNE率降低。

ABSTRACT

Dynamic Vision Sensors (DVS) record "events" corresponding to pixel-level brightness changes, resulting in data-efficient representation of a dynamic visual scene. As DVS expand into increasingly diverse applications, non-ideal behaviors in their output under extreme sensing conditions are important to consider. Under low illumination (below ~10 lux) their output begins to be dominated by shot noise events (SNEs) which increase the data output and obscure true signal. SNE rates can be controlled to some degree by tuning circuit parameters to reduce sensitivity or temporal response bandwidth at the cost of signal loss. Alternatively, an improved understanding of SNE statistics can be leveraged to develop novel techniques for minimizing uninformative sensor output. We first explain a fundamental observation about sequential pairing of opposite polarity SNEs based on pixel circuit logic and validate our theory using DVS recordings and simulations. Finally, we derive a practical result from this new understanding and demonstrate two novel biasing techniques to reduce SNEs by 50% and 80% respectively while still retaining sensitivity and/or temporal resolution.

研究动机与目标

• 解决在低光照条件下动态视觉传感器（DVS）中SNE率升高的挑战，该现象会降低信噪比并增加数据负载。
• 探究DVS输出中相反极性SNE成对出现的潜在原因，该现象此前未被解释或利用。
• 开发实用的片上偏置策略，直接调节噪声统计特性以减少无信息SNE，同时保持灵敏度和时间分辨率。
• 证明可通过调节传感器偏置参数在不损害DVS检测真实亮度变化能力的前提下实现噪声降低，从而拓展其在弱光环境中的应用。

提出的方法

• 分析DVS像素的基本电路行为，重点关注每次事件后触发的自定时复位机制，该机制会将参考电平复位至触发事件的信号电平附近。
• 通过记录和仿真观察并验证：由于复位机制增加了后续相反极性事件发生的可能性，SNE主要以相反极性对的形式出现。
• 提出第一项技术：延长不应期，以使复位电平与前次事件的信号电平解耦，从而降低立即发生相反极性噪声事件的概率。
• 提出第二项技术：故意使ON和OFF阈值失衡（例如，设置θ_ON ≈ 0.3 × θ_OFF），使参考电平稳定在更敏感的阈值附近，从而破坏噪声成对循环。
• 使用真实DAVIS346传感器数据和v2e DVS模拟器（注入高斯白噪声以模拟真实的SNE统计特性）验证两种技术。
• 推导出有效解耦的理论条件：不应期 ≥ 1/(2πf₃dB)，其中f₃dB为光敏元件的3dB截止频率。

Fig. 1: Typical DVS pixel circuit schematic. The active logarithmic photoreceptor front-end ( A-B ) drives a cap-feedback change amplifier ( C ) with output $V_{diff}$ . When $V_{diff}$ deviates by either an ON or OFF threshold, comparators ( D ) report an event, and after a finite refractory period

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在低照度下，尽管ON和OFF阈值独立设置，DVS中的散粒噪声事件仍主要以相反极性对的形式出现？
• RQ2 像素复位机制如何导致SNE的统计成对现象？该行为是否可用于噪声降低？
• RQ3 能否通过调节传感器偏置参数在不牺牲灵敏度或时间分辨率的前提下降低SNE率？
• RQ4 在真实DVS硬件中，通过延长不应期和阈值失衡可实现的噪声降低定量极限是什么？

主要发现

• 在10 lux照度下，真实DVS记录中SNE以相反极性对形式出现的比例超过90%，主要归因于像素的自定时复位机制。
• 当不应期延长至超过1/(2πf₃dB)时，参考电平与前次事件信号电平实现有效解耦，从而在所有照度水平下将整体SNE率降低50%以上。
• 通过有意使ON和OFF阈值失衡——特别是设置θ_ON/θ_OFF ≈ 0.3——可将总SNE率降低高达80%，同时保持对ON变化的灵敏度。
• ISI直方图显示事件对分布出现明显偏移，证实两种技术均有效打破了反复出现的相反极性噪声事件循环。
• 所提方法与现有DVS硬件兼容，可通过片上偏置调节实现，无需外部处理或复杂去噪流水线。
• 当在事件生成模块前注入高斯白噪声时，v2e DVS模拟器能准确重现真实SNE统计特性，验证了噪声建模方法的有效性。

Fig. 2: Recorded DAVIS346 SNE s under 10 mlux illumination with high bandwidth biases. A: Per pixel ON and OFF SNE rates are nearly balanced, even for pixels with an abnormally high noise rates. B: ISI histograms reveal that over 90% of pixel SNE pairs are opposite polarity and occur at shorter time