[论文解读] 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 11

一句话总结

该论文通过证明对数光电感受器表现为二阶系统而非先前假设的一阶系统，解决了动态视觉传感器（DVS）像素中强度依赖性噪声的悖论。作者表明，较高光电流通过输出级对输入噪声进行滤波，从而降低均方根噪声电压和噪声事件率——解释了为何尽管总噪声功率恒定，DVS在高光强下仍表现出更低的噪声。

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.

研究动机与目标

• 解决实测DVS噪声行为与对数光电感受器测量所得理论预测之间的明显矛盾。
• 理解为何尽管总噪声功率恒定，DVS的噪声事件率在低光强下仍会增加。
• 阐明光电感受器均方根噪声电压、频率成分与实际DVS输出噪声事件率之间的关系。
• 为优化DVS像素参数（如事件阈值和偏置电流）提供理论与实证基础。
• 量化在不同工作条件下，DVS光电感受器性能与基本光子散粒噪声极限之间的差距。

提出的方法

• 对DAVIS346 DVS像素进行晶体管级SPICE仿真，分析不同光电流下的噪声行为。
• 对测试像素进行芯片测量，以验证仿真结果并提取真实世界噪声性能。
• 分析光电感受器噪声的功率谱密度（PSD），识别二阶系统行为，与一阶模型形成对比。
• 建立DVS像素的一阶低通简化模型，模拟噪声事件率随阈值和噪声带宽的变化。
• 利用该模型推导噪声事件率与阈值对均方根噪声电压之比的依赖关系，识别出两种不同的工作模式。
• 将光电感受器噪声电压与对数强度单位下的时间对比度（TC）相关联，以建立电噪声与感知阈值之间的联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何尽管光电感受器的总噪声功率恒定，DVS的噪声事件率在低光强下仍会增加？
• RQ2 DVS光电感受器的频率响应如何解释观察到的强度依赖性噪声行为？
• RQ3 光电感受器均方根噪声电压与实际DVS输出噪声事件率之间存在何种关系？
• RQ4 为何将光电感受器视为一阶系统的假设在理解DVS噪声性能时是无效的？
• RQ5 能否基于噪声功率谱密度和阈值设置，利用模型预测并优化噪声事件率？

主要发现

• 由于输出级的极点在高光电流下占主导地位，DVS光电感受器表现出二阶系统行为，而非一阶。
• 在高光电流下，输出级对输入噪声进行滤波，从而降低均方根噪声电压，导致噪声事件率降低。
• 光电感受器的总均方根噪声电压随光电流增加而减小，这与一阶模型预测的恒定噪声相反。
• 在低光强下，噪声事件率随光电流增加的幅度超过比例关系，这是由于高频噪声分量更容易触发事件。
• 对于典型的DVS阈值（θ > 2 × V_n,rms），噪声事件率随阈值与噪声比的增加呈指数下降，表明对阈值设置具有强烈依赖性。
• 噪声事件率与噪声PSD的3-dB截止频率成正比，证实频谱内容在预测输出噪声中至关重要。