产品新闻 ·  Product news 您的位置:首页 > 新闻中心 > 产品新闻
如何评估相机的灵敏度
发布时间:2016-02-19

   比较基本的相机规格,如帧率、分辨率、接口这些指标比较容易;但是比较相机的成像性能,如量子效率、颞暗噪声和饱和容量这些指标就不那么简单了。首先,我们需要理解这些不同的测量真正意味着什么。

   什么是量子效率?它是在峰值波长或某个特定波长处测量吗?信噪比和动态范围之间到底有何不同?本白皮书将一一解答这些问题,并介绍如何利用遵循EMVA1288标准的成像性能数据来比较和选择相机。

   EMVA1288标准定义了测量相机性能的各个方面、如何对它们进行测量、以及如何以一种统一的方法呈现这些测量结果。本白皮书的第一部分将介绍图像传感器的成像性能。这一部分首先会介绍一些基本概念,这些基本概念对于理解“图像传感器是如何将光转换成数字图像、并最终决定传感器的性能”而言至关重要。图1中以单个像素为例,重点突出了这些概念。


           图1:从光子到灰度级以及一些相关概念。

Light——光

Photons per μm2——单位面积(μm2)上的光子

Saturation Capacity——饱和容量
Pixel size
——像素尺寸
WELL
——阱
Shot noise
——散粒噪声
Number of photons
——光子数
Quantum efficiency
——量子效率
Sensor
——传感器
Temporal dark noise
——颞暗噪声
Signal
——信号
Gain
——增益
Grey sacle
——灰度级

   首先,需要理解光本身所固有的噪声。光由离散粒子和光子组成,由光源产生。因为光源随机产生光子,因此在光强中会存在噪声。光物理学认为,在光强中观察到的噪声,等价于由光源产生的光子数的平方根。这种噪声称为散粒噪声。

   应当指出的是,从一个像素中观测到的光子数,将取决于曝光时间和光强。本文将光子数看作是曝光时间和光强的组合。同样,像素尺寸与传感器的光收集能力之间存在一种非线性关系,因为像素尺寸需要平方后,才可用于确定光敏区域。

   数字化光的第一个步骤是将光子转换为电子。本文将不再赘述传感器是如何完成这个转换的,而是介绍了转换效率的测量。在数字化过程中产生的电子与光子的比率,被称为量子效率(QE)。图1中所示例的传感器的量子效率为50%,因为有6个光子“落在”传感器上,产生了3个电子。

   在电子被数字化之前,它们被存储在像素内,被称为阱。阱中可以存储的电子数,称为饱和容量或阱深。如果阱接收到比其饱和容量更多的电子,那么额外的电子将无法被保存。

   一旦像素完成光的收集,便对阱中的电荷进行测量,该测量被称为信号。图1中的信号测量是用指针式仪表显示的。与该测量相关的误差被称为颞暗噪声或读出噪声。

   最后,灰度级是通过将信号值(以电子表示)换算成16位模数转换器单元(ADU)的像素值来确定的。模拟信号值与数字灰度级值之间的比率,被称为增益,并以每ADU中的电子数来测量。请勿将EMVA1288标准所定义的增益参数与“模拟到数字”转换过程中的增益相混淆。
   在评估相机性能时,通常会参考信噪比和动态范围。相机的这两项性能的测量,都要考虑信号和相机噪声之间的比率。不同之处在于,动态范围只考虑颞暗噪声,而信噪比还要考虑散粒噪声的均方根总和。

   绝对灵敏度阈值是使“信号等同于由传感器产生的噪声”的光子数。这是一个重要指标,因为它代表了能够观察到任何有意义的信号、理论上所需要的最小光量。


   比较相机的低光性能
   在本白皮书中,我们将考虑如车牌识别(LPR)或光学字符识别(OCR)等应用,在这类应用中,通常使用黑白成像,相机能够收集的光的数量,可能会受限于较短的曝光时间。确定解决成像问题所需要的分辨率、帧率和视场相对简单;然而要确定是否该相机具有足够的成像性能就较为困难了。

   这一挑战通常通过反复试验加以解决。我们来看一个例子:一位视觉系统设计者认为,针对上述提到的这类应用,一款运行帧率为30 FPS1/4'' CCD VGA相机就足以胜任了。初始测试表明,当物体静止时,该相机在10 ms的曝光时间下具有足够的灵敏度。图2中显示了一个简单的例子:字符B8D0很容易被视觉算法所混淆。左上方利用1/4''CCD相机拍摄的图像,适合于图像处理。


    图21/4''1/2''CCD相机在不同的曝光时间下拍摄的图像

At 10 ms shutter——曝光时间10 ms
At 5 ms shutter
——曝光时间5 ms
At 2.5 ms shutter
——曝光时间2.5 ms

   然而,当物体开始移动时,曝光时间需要减少,相机便不能提供有用的信息,因为字母“B”和“D”无法从数字“8”和“0”中被区分出来。图2中,左中和左下方的图像显示了图像质量的退化,特别是利用¼'' CCD相机在2.5 ms的曝光时间下拍摄的图像,很显然不适合用于图像处理。

   在这个例子中,假设不要求大景深,因此镜头的最小F值是可以接受的。换言之,就是不可能通过打开镜头的快门来收集更多的光。
   因此,设计人员需要考虑选择不同的相机。现在的问题是:是否选择不同的相机能改善系统的性能。使用更大的传感器,已经被普遍认为是解决低光性能问题的一个好办法,因此1/2''传感器将是不错的选择。这里无需再进行反复摸索,参考相机的EMVA 1288成像性能很有用。

   通过EMVA 1288数据可以观察到:1/4''CCD传感器具有更好的量子效率和更低的噪声;但是1/2'' CCD传感器具有更大的像素和更大的饱和容量。本文介绍了如何确定1/2''相机是否具有更好的表现。

   图3中比较了1/4''1/2''相机的信号值和光密度(光子数/μm2)之间的曲线图。该信号作为光密度的一个函数,可以由以下公式确定:
Signal
——信号值
Light density
——光密度
Pixel size
——像素尺寸
Quantum efficiency
——量子效率

   本文所做的一个重要假设是:两款相机具有相同的设置,镜头具有的相同的视场、相同的F值。


               31/4''1/2'' CCD相机产生的信号是光密度的一个函数


Signal——信号值
Light density
——光密度(光子数/μm2
Saturation capacity
——饱和容量
1/2'' Camera signal
——1/2''相机产生的信号
1/4'' Camera signal
——1/4''相机产生的信号

   图3表明,在光密度相同的情况下,1/2''传感器将产生更高的信号。此外,从图3中还可以观察到,1/4''1/2''传感器基本都在700个光子/μm2的光密度下达到了其饱和容量,但很显然1/2''传感器的饱和容量值更高。

   在本白皮书所考虑的应用中,相机的比较需要在低光水平下进行。因此,考虑噪声水平变得尤为重要。

   图4显示了低光水平下的信号和噪声情况。图4中显示的噪声包括颞暗噪声和散粒暗噪声,由下列公式计算:
Noise
——噪声
Temporal dark noise
——颞暗噪声
Shot noise
——散粒噪声


             4:在低光水平下,1/4''1/2''CCD相机的信号和噪声情况


1/2'' camera will……——1/2''相机在更低的光密度下达到了绝对灵敏度阈值
Signal
——信号值
Light density
——光密度(光子数/μm2
Saturation capacity
——饱和容量
1/2'' Camera signal
——1/2''相机产生的信号
1/4'' Camera signal
——1/4''相机产生的信号
1/2'' Camera noise
——1/2''相机产生的噪声
1/4'' Camera noise
——1/4''相机产生的噪声

   图4显示,1/2''传感器比1/4''传感器在略微低的光密度下达到了绝对灵敏度阈值。要进一步确定哪款相机在低光应用中具有更好的表现,还需要进行一项更重要的测量便是信噪比(SNR)。

   图5显示了两款相机的SNR与光密度之间的函数关系。


            图5:低光水平下1/4''1/2''CCD相机的信噪比


Signal noise ratiolinear scale)——信噪比(线性)
Light density
——光密度(光子数/μm2
1/2'' Camera signal to noise
——1/2''相机的信噪比
1/4'' Camera signal to noise
——1/4''相机的信噪比

   鉴于1/2''传感器在低光水平下具有更高的信噪比,因此理论上认为1/2''相机应该比1/4''相机在低光水平下具有更好的表现。

   从图2中的图像可以看出,在2.5 ms的曝光时间内,1/2''传感器在所有曝光时间内捕捉到了字符的形状;而1/4''传感器在该曝光时间内所拍摄到的字符却难以区分。因此1/2''传感器具有更好的表现,并且实际结果与理论相符。

  应当指出的是,在总体了解一台相机将比另一台相机如何有更好的表现时,本白皮书中所概述的方法是非常有用的。这种方法可以帮助排除那些不大可能提高所需性能的相机;然而,相机性能的最终测试将在实际应用中进行。

   传统CCD传感器和现代CMOS传感器的对比
   现在,我们将在低光成像条件下和具有广泛照明条件的场景下,比较传统CCD传感器和现代CMOS传感器的性能。

   上文中已经显示,采用Sony ICX414 1/2'' VGA CCD的相机,在低光条件下比采用Sony ICX618 1/4'' VGA CCD的相机具有更好的表现。现在,我们将1/2'' VGA CCD与最新的Sony Pregius IMX249 1/1.2'' 230万像素全局快门CMOS传感器相比较。

   采用这两款传感器的相机成本相当,大约为400欧元;CMOS相机中的VGA感兴趣区域,实际上接近于1/4''相机的光学尺寸;在VGA分辨率下,两款相机的帧率也类似。

   相机的EMVA 1288数据显示,IMX249 CMOS传感器明显具有更好的量子效率、更低的噪声和更高的饱和容量。另一方面,ICX414 CCD传感器具有更大的像素,这是在上文提及的例子中的关键参数。

6:在低光条件下,ICX414 CCD传感器和IMX249 CMOS传感器的信噪比

   IMX249 CMOS sensor……——IMX249 CMOS传感器将在更低的光密度下达到绝对灵敏度阈值
Signal noise ratio
linear scale)——信噪比(线性)
Light density
——光密度(光子数/μm2


7:在不同的曝光时间下,从ICX414 CCD传感器和IMX249 CMOS传感器所获得的拍摄结果

At 2.5 ms shutter——曝光时间2.5 ms
At 1 ms shutter
——曝光时间1 ms

   由于这两款传感器的饱和容量之间存在差异,因此更高的光强度下的比较更为有趣。图8显示了在整个光强范围内,信号都是光强的函数。从图8中可以观察到,ICX414 CCD传感器在光密度约为700个光子/μm2时达到饱和容量;而IMX249 CMOS传感器则在光密度超过1200个光子/μm2后才达到饱和。


8ICX414 CCDIMX249 CMOS传感器产生的信号是光密度的一个函数


Signal——信号值
Light density
——光密度(光子数/μm2
Saturation capacity
——饱和容量

   可以得出的第一个结论是,ICX414 CCD传感器产生的图像,比IMX249 CMOS传感器产生的图像更亮。如果这一点不能从图中明显地观察到,可以想象一下,图像大约是在700个光子/μm2的光密度下产生的。在采用ICX414 CCD传感器的情况下,图像应该在最高灰度级,很可能是饱和的;而IMX249 CMOS传感器产生的图像,其亮度刚好超过其最大亮度的50%。这个结论非常有意义,因为评估相机灵敏度的一种简易方法便是观察图像的亮度。换句话说,这种简易方法假设图像的亮度越高,拍摄相机的性能越好。然而,这一观点并不正确,在上面这个例子中,结论实际上恰恰相反:产生较暗图像的相机,实际上具有更好的性能。


9:在光线不佳的条件下,ICX414 CCDIMX249 CMOS传感器所产生的图像效果


   第二个结论是,IMX249 CMOS传感器能在广泛的照明条件下,产生更适合用于进一步处理的图像。图9中显示了两款相机对相同场景的成像结果。应当指出的是,图像的更暗部分已经为显示目的进行了增强,但并未修改基础数据。从图9中可以看到,ICX414 CCD在场景的亮区达到饱和,同时在暗区存在大量噪声,使得字符无法清晰可辨。相比之下,IMX249 CMOS传感器在场景的亮区和暗区都产生了清晰可见的字符。mindvision也用sony这款系列芯片,效果的确出人意料的比CCD效果好。
   最后,我们可以得出结论:在机器视觉应用中,最新的全局快门CMOS技术正在成为CCD技术的一种可行替代选择。相比于CCD传感器,CMOS传感器不仅价格更便宜、帧率更高、分辨率相当、并且没有图像拖尾和光晕,而且在成像性能方面,CMOS传感器正在开始超越CCD
结论

   在文中,我们了解到了在评估相机性能时所使用的几个关键概念,介绍了EMVA1288标准、并将结果应用于各种照明条件下的相机性能比较。在评估相机性能时,还有很多方面需要考虑。例如,光源处于不同波段,量子效率会随之急剧变化,因此一台在525nm光源条件下表现良好的相机,当光源转到近红外(NIR)波段时,并不一定能有同样良好的性能表现。类似地,荧光成像和天文成像中常常使用长曝光时间,这种情况下需要考虑暗电流,在低光照明条件下,这是一种具有重要影响的类型噪声。