內(nèi)容包括：

　　基于 EMVA1288 的成像性能測(cè)量介紹

　　各種測(cè)量值的定義及其測(cè)量方法

　　比較相機(jī)在不同曝光時(shí)間下的低光性能

　　比較傳統(tǒng) CCD 與現(xiàn)代 CMOS 傳感器

　　比較各代 Sony Pregius 傳感器

　　結(jié)論

　　使用 EMVA1288 成像性能標(biāo)準(zhǔn)比較相機(jī)性能

　　比較幀率、分辨率和接口等基本相機(jī)規(guī)格很容易；使用我們新的相機(jī)選擇工具篩選并排序 14+ EMVA 規(guī)格，找到完全符合您的項(xiàng)目要求的產(chǎn)品。 但是，比較相機(jī)的成像性能，例如量子效率、顳暗噪音和飽和量，則有點(diǎn)復(fù)雜。 首先，我們需要理解這些各種測(cè)量值真正意味著什么。

　　什么是量子效率及在峰值或在特定波長(zhǎng)下測(cè)得值是什么？ 信噪比如何不同于動(dòng)態(tài)范圍？ 本白皮書將會(huì)解答這些問題，并會(huì)解釋如何根據(jù)成像性能數(shù)據(jù)、遵循 EMVA1288 標(biāo)準(zhǔn)比較和選擇相機(jī)。

　　EMVA1288 是一套定義要測(cè)量相機(jī)哪方面的性能、如何測(cè)量及如何用統(tǒng)一的方法呈現(xiàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。 白皮書的第一部分將會(huì)幫助了解成像傳感器成像性能的各個(gè)方面。 它將會(huì)概述對(duì)理解何時(shí)考慮圖像傳感器如何將光轉(zhuǎn)化成數(shù)字圖像很重要的基本概念，并最終定義傳感器的性能。 圖 1 呈現(xiàn)單一像素并強(qiáng)調(diào)這些概念。

　　圖1：圖像傳感器如何把光線轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像

　　首先，我們要了解光本身的噪聲。 光包括光源生成的離散顆粒、光子。 因?yàn)楣庠丛陔S機(jī)時(shí)間產(chǎn)生光子，感知光密度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生噪音。 光的物理學(xué)表明，光密度方面觀測(cè)到的噪音，同等于光源所生成光子數(shù)的平方根。 這個(gè)噪音類型稱為散粒噪聲。

　　應(yīng)該注意的是，一個(gè)像素觀測(cè)到的光子數(shù)將會(huì)取決于曝光時(shí)間和光密度。 這篇文章考慮光子數(shù)位曝光時(shí)間和光密度的組合。 同樣地，像素大小對(duì)傳感器的光收集能力有非線性影響，因?yàn)槠湫枰椒?，以確定光敏感區(qū)域。 這在下一篇文章中，比較兩個(gè)相機(jī)的性能的篇幅中，將會(huì)有更詳細(xì)的討論。

　　把光數(shù)位化的第一步是要將光子轉(zhuǎn)化成電子。 這篇文章沒有探究傳感器如何這樣做，而是介紹轉(zhuǎn)化效率的測(cè)量。 數(shù)字化過程期間所生成電子與光子的比率稱為量子效率 (QE)。 圖 1 傳感器范例，一個(gè)的 QE 為 50%，因?yàn)楫?dāng)6個(gè)光子“落”到傳感器上時(shí)生成 3 個(gè)電子。

　　在電子數(shù)位化之前，它們都儲(chǔ)存在像素內(nèi)，稱為井。 可儲(chǔ)存在井內(nèi)的電子數(shù)稱為飽和量或井深。 如果該井收到比飽和量多的電子，就不會(huì)再存儲(chǔ)其它電子。

　　一旦像素完成光收集，井的變化被測(cè)定，而這個(gè)測(cè)量值稱為信號(hào)。 圖 1 中的信號(hào)測(cè)得值被表示為箭頭測(cè)量表。 與這個(gè)測(cè)量相關(guān)的錯(cuò)誤稱為顳暗噪聲或讀出噪聲。

　　最后，將信號(hào)值（以電子數(shù)表達(dá)）轉(zhuǎn)化成 16 位模擬數(shù)字單元 (ADU)像數(shù)值，從而確定灰度等級(jí)。 模擬信號(hào)值與數(shù)字灰度等級(jí)之間的比率被稱為增益，并被測(cè)定為每 ADU 的電子數(shù)。 按照 EMVA1288 標(biāo)準(zhǔn)的定義，增益參數(shù)不應(yīng)該與“模擬數(shù)字”轉(zhuǎn)化過程混淆。

　　評(píng)估相機(jī)性能時(shí)，通常涉及信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。 相機(jī)性能的這兩個(gè)測(cè)量考慮相機(jī)光測(cè)到的噪聲與信號(hào)的比率。 不同之處就是動(dòng)態(tài)范圍僅考慮顳暗噪聲，而信噪比也包括離散噪聲的方均根 (RMS)總和。

　　絕對(duì)靈敏度閾值就是得到相當(dāng)于傳感器所觀測(cè)噪聲之信號(hào)所需的光子數(shù)。 這是個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樗碛^測(cè)任何根本有意義信號(hào)所需最低光量的理論值。 后面的文章將會(huì)講到這個(gè)測(cè)量的詳情。

　　為了輔助根據(jù) EMVA1288 標(biāo)準(zhǔn)比較傳感器和相機(jī)，F(xiàn)LIR 對(duì)超過 70 個(gè)相機(jī)型號(hào)創(chuàng)建了行業(yè)第一的全面成像性能研究。

　　比較相機(jī)的低光性能

　　就本白皮書而言，我們將考慮諸如牌照識(shí)別（LPR）或光學(xué)字符識(shí)別（OCR）之類的應(yīng)用，這些應(yīng)用通常使用單色成像，并且由于曝光時(shí)間短，相機(jī)可以收集的光量可能會(huì)受到限制。確定解決成像問題所需的分辨率、幀率和視野相當(dāng)直截了當(dāng)，然而確定相機(jī)是否將會(huì)有足夠成像性能可能更困難一些。

　　解決這個(gè)挑戰(zhàn)的常規(guī)方法就是試錯(cuò)法。讓我們舉一個(gè)例子，其中視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)師確定，VGA相機(jī)有以30 FPS運(yùn)行的1/4'' CCD在本應(yīng)用中已經(jīng)足夠。初始檢測(cè)可以證實(shí)，當(dāng)相機(jī)靜止時(shí)，相機(jī)在10毫秒曝光時(shí)間下有足夠靈敏度。見圖2用能夠輕易被視覺算法所混淆的字符B、8、D和0作一個(gè)簡(jiǎn)單的范例。左上方的圖像用1/4'' CCD相機(jī)拍攝，產(chǎn)生的圖像適合圖像處理。

　　圖2：得自1/4''和1/2'' CCD相機(jī)在不同曝光時(shí)間下的結(jié)果

　　然而，當(dāng)對(duì)象開始移動(dòng)時(shí)，曝光時(shí)間需要縮短，而且相機(jī)不能夠提供有用的信息，因?yàn)樽帜浮癇”和“D”不能與數(shù)字“8”和“0”相區(qū)分。圖2中間和左下方的圖像顯示圖像質(zhì)量劣化。尤其是在2.5毫秒曝光時(shí)間下，1/4'' CCD產(chǎn)生不適合圖像處理的圖像。

　　出于這個(gè)范例的目的，假定就是大視野深度并非必需，因而鏡頭的最低F數(shù)是可以接受的。換句話說，不可能通過打開鏡頭快門來收集更多光。

　　因此，設(shè)計(jì)師需要考慮不同的相機(jī)。問題是不同的相機(jī)是否有可能改善系統(tǒng)的性能。使用更大的傳感器已經(jīng)被接受為解決低光性能問題的好方法，因此1/2''傳感器就可能是個(gè)好選擇。不是繼續(xù)使用試錯(cuò)法，而是考慮相機(jī)的EMVA 1288成像性能的實(shí)用性。

　　通過考慮EMVA 1288數(shù)據(jù)，可以注意到的是，1/4''傳感器具有更好的量子效率和更低的噪聲，但是1/2'' CCD有更大的像素和更大的飽和量。這篇文章顯示如何確定1/2'' 相機(jī)是否會(huì)表現(xiàn)得更好。

　　圖3通過繪制信號(hào)值與光密度（光子/ μm2）來比較相機(jī)。該信號(hào)作為光密度的函數(shù)，其確定方式是使用以下公式：

　　這篇文章所采用的一個(gè)重要的假設(shè)就是：鏡頭有相同的視野、相同的F數(shù)和相同的相機(jī)設(shè)置。

　　圖3：1/4''和1/2'' CCD相機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)作為光水平的函數(shù)

　　該圖表明，若光密度相同，則1/2'' 傳感器將會(huì)產(chǎn)生更高的信號(hào)?？梢杂^察到的是，飽和發(fā)生于相似的光密度水平（700個(gè)光子/μm2），然而1/2''傳感器有顯著更高的飽和量。

　　在本白皮書所考慮的應(yīng)用中，相機(jī)的對(duì)比需要在低光水平下進(jìn)行。因此考慮噪聲水平變得尤其重要。

　　圖4顯示低光照水平下的信號(hào)和噪聲。該圖中出現(xiàn)的噪聲是顳暗噪聲和離散噪聲的RMS總和，其中計(jì)算使用了以下公式：

　　圖4：1/4''和1/2'' CCD相機(jī)在低光水平下的信號(hào)和噪聲

　　該圖表顯示，1/2''傳感器在比1/4''傳感器略低的水平下達(dá)到絕對(duì)靈敏度閾值（信號(hào)等于噪聲的光水平）。確定哪種相機(jī)在低光應(yīng)用中將會(huì)表現(xiàn)得更好所需的更重要指標(biāo)就是信噪比(SNR)。

　　圖5顯示兩個(gè)相機(jī)的SNR，作為照明水平的函數(shù)。

　　圖5：1/4''和1/2'' CCD相機(jī)在低光水平下的信噪比

　　理論表明，當(dāng)1/2''傳感器的信噪比較高，1/2''相機(jī)在低光水平下應(yīng)該表現(xiàn)得比1/4''相機(jī)好。

　　根據(jù)圖2中的圖像，可以看到的是，在2.5毫秒曝光時(shí)間下，1/2''傳感器保留圖形在所有曝光時(shí)間下的形狀，而1/4'' 傳感器則難以區(qū)分這些字符。因此這種 1/2'' 傳感器表現(xiàn)得更好，而且實(shí)際結(jié)果都符合該理論。

　　FLIR已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的相機(jī)研究，而且已經(jīng)發(fā)表了EMVA 1288成像性能結(jié)果。這些信息可用于比較不同相機(jī)型號(hào)的性能。盡管相機(jī)實(shí)施不影響成像性能，但在比較任何兩種具有本文件所述傳感器的相機(jī)時(shí)，這種研究一般可能是有用的。

　　應(yīng)該注意的是，本白皮書概述的方法可用于全面了解一種相機(jī)與另一種相機(jī)相比將會(huì)表現(xiàn)得如何。這個(gè)方法可幫助排除不可能改善所需性能的相機(jī)，然而相機(jī)性能的最終檢測(cè)就是在實(shí)際應(yīng)用中。

　　比較傳統(tǒng)CCD 與現(xiàn)代CMOS 傳感器

　　現(xiàn)在，我們將在低光成像條件下及在具有寬泛照明條件的場(chǎng)景中比較傳統(tǒng)CCD傳感器與現(xiàn)代CMOS傳感器的性能。

　　在前一部分中，我們證明了帶Sony ICX414 (a 1/2'' VGA CCD)的相機(jī)在低光條件下比帶Sony ICX618 (1/4'' VGA CCD)的相機(jī)性能更佳。現(xiàn)在，我們將比較1/2'' VGA CCD與新型Sony Pregius IMX249，1/1.2’’2.3Mpix全局快門CMOS傳感器。

　　初看起來，這可能似乎看起來像比較“蘋果跟橘子”，然而具有這兩種傳感器的相機(jī)的成本是可比的，大約為€400，在CMOS相機(jī)中，感興趣的一個(gè)VGA領(lǐng)域?qū)嶋H上更接近1/4'' 相機(jī)的光學(xué)尺寸，而且?guī)试赩GA分辨率下也是相似的。

　　相機(jī)的EMVA 1288數(shù)據(jù)表明，IMX249 CMOS傳感器有顯著較好的量子效率、較低的噪聲和較高的飽和量。另一方面，ICX414 CCD傳感器有更大的像素，在前一篇文章所介紹的范例中，這是個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。

　　圖6：ICX414 CCD和IMX249 CMOS傳感器在低光條件下的信噪比

　　圖 7：ICX414 CCD 和 IMX249 CMOS 傳感器在不同曝光時(shí)間下的效果

　　更有意思的比較是在更高光密度的情況下，因?yàn)閮蓚€(gè)傳感器之間的飽和量差異。圖8表示在整個(gè)全光密度范圍內(nèi)信號(hào)作為光密度的函數(shù)。根據(jù)該圖表可以觀察到的是，ICX414 CCD傳感器將會(huì)在大約700光子/μm2處達(dá)到飽和量，而IMX249 CMOS傳感器將會(huì)在1200光子/μm2以上飽和。

　　圖 8：ICX414 CCD 和 IMX249 CMOS 傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與光強(qiáng)的關(guān)系

　　第一個(gè)結(jié)論是，ICX414 CCD傳感器產(chǎn)生的圖像將會(huì)比IMX249 CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像更亮。如果從圖形上看不明顯，試想將會(huì)在大約700光子/μm2下產(chǎn)生的圖像。若為ICX414 CCD傳感器，該圖像應(yīng)該處于最高灰度水平，很有可能處于飽和狀態(tài)，而IMX249 CMOS傳感器將會(huì)產(chǎn)生剛剛超過50%最大亮度的圖像。這個(gè)觀察很顯著，因?yàn)樵u(píng)價(jià)相機(jī)靈敏度的一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是觀察圖像的亮度。換句話說，假設(shè)就是性能更好的相機(jī)將會(huì)產(chǎn)生更明亮的圖像。然而，事實(shí)并非這樣，而且在這個(gè)范例中，實(shí)際上是相反的，產(chǎn)生較暗圖像的相機(jī)實(shí)際上有更好的性能。

　　圖 9：ICX414 CCD 和 IMX249 CMOS 傳感器在不同光照條件下取得的效果

　　第二個(gè)觀察發(fā)現(xiàn)是，IMX249 CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像，可以用在范圍更大的光照條件下進(jìn)行的圖像處理。圖9顯示兩臺(tái)相機(jī)對(duì)同一場(chǎng)景的成像。應(yīng)該注意的是，圖像的較暗部分已經(jīng)就顯示目的進(jìn)行了強(qiáng)化，然而支持?jǐn)?shù)據(jù)并未修改。根據(jù)該圖像，可以觀察到的是，ICX414 CCD在場(chǎng)景的明亮區(qū)域是飽和的，而同時(shí)在目標(biāo)的黑暗區(qū)域有太多噪聲而使字母無法被辨識(shí)。相反，IMX249 CMOS傳感器在明亮和黑暗場(chǎng)景中產(chǎn)生清晰可見的字母。

　　最后，我們可以得出結(jié)論，最新的全局快門CMOS技術(shù)在機(jī)器視覺應(yīng)用中已成為CCD的可靠替代方案。這些傳感器不僅價(jià)格便宜，在相同分辨率下具有更高的幀速率，并且沒有諸如拖影和模糊的偽影，而且性能還優(yōu)于CCD。

　　比較各代Sony Pregius 傳感器

　　如前面的部分中所討論，傳感器的尺寸對(duì)傳感器的性能影響很大，這是因?yàn)楦蟮南袼乜梢允占淖疃嗟墓庾?，相同的光照條件下也可以收集更多的光子。另一方面，像素尺寸較大的傳感器相比于像素尺寸較小的，傳感器尺寸要更大才能適應(yīng)既定的分辨率，會(huì)增加傳感器的成本。下圖概述了各代Sony Pregius傳感器的的像素大小差異。

　　圖10：各代Sony Pregius傳感器的像素大小差異

　　盡管像素尺寸呈下降趨勢(shì)（除了第三代傳感器），但傳感器的成像性能（不涉及傳感器容量）逐代提高。成像性能提升的主要原因是第二代之后的傳感器具有較低的顳暗噪聲。下圖概述了各代Pregius傳感器的顳暗噪聲升級(jí)過程。

　　圖11：Pregius S 保持了較低顳暗噪聲水平

　　如果要全面了解傳感器成像性能，請(qǐng)參閱下表各代Pregius代表性傳感器的規(guī)格。

　　通過上表可以發(fā)現(xiàn)，盡管Pregius S的像素尺寸最小，但成像性能可媲美第二代和第三代傳感器，這要?dú)w功于該傳感器的背照式設(shè)計(jì)，使光子入射角更大，有助于像素捕獲更多光線。

　　圖 12: BSI 傳感器倒置了傳統(tǒng)前照式傳感器設(shè)計(jì)，使光子更容易進(jìn)入像素的光敏光電二極管

　　這項(xiàng)新的傳感器設(shè)計(jì)使Pregius S傳感器系列在利用好最小像素的同時(shí)達(dá)到前幾代傳感器成像性能，從而能夠以相對(duì)較低價(jià)格提供分辨率更高的傳感器。

　　結(jié)論：

　　在本白皮書中，我們了解到評(píng)價(jià)相機(jī)性能方面說用的關(guān)鍵概念。我們介紹了EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，并且運(yùn)用了結(jié)果，以比較相機(jī)在各種光照條件下的性能。評(píng)價(jià)相機(jī)時(shí)，相機(jī)性能仍有更多的方面可以考慮。例如，量子效率在不同波長(zhǎng)下變化顯著，因此在525nm表現(xiàn)良好的相機(jī)，在光源處于近紅外線(NIR)頻率時(shí)也可能幾乎無法工作。同樣，熒光和天文學(xué)常見的長(zhǎng)曝光時(shí)間需要考慮暗流的影響-這是一類極低光水平下重要的噪聲。

　　根據(jù)成像性能特征選擇正確的相機(jī)并不容易，然而我們希望本白皮書已經(jīng)稍微有助于弄懂這個(gè)迷人而復(fù)雜的話題。

　　對(duì)超過14種EMVA規(guī)格進(jìn)行篩選和排序，找到與您的項(xiàng)目要求完全匹配的產(chǎn)品–試用我們?nèi)碌南鄼C(jī)選擇工具。