內容包括：

　　基于 EMVA1288 的成像性能測量介紹

　　各種測量值的定義及其測量方法

　　比較相機在不同曝光時間下的低光性能

　　比較傳統(tǒng) CCD 與現(xiàn)代 CMOS 傳感器

　　比較各代 Sony Pregius 傳感器

　　結論

　　使用 EMVA1288 成像性能標準比較相機性能

　　比較幀率、分辨率和接口等基本相機規(guī)格很容易；使用我們新的相機選擇工具篩選并排序 14+ EMVA 規(guī)格，找到完全符合您的項目要求的產品。 但是，比較相機的成像性能，例如量子效率、顳暗噪音和飽和量，則有點復雜。 首先，我們需要理解這些各種測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下測得值是什么？ 信噪比如何不同于動態(tài)范圍？ 本白皮書將會解答這些問題，并會解釋如何根據(jù)成像性能數(shù)據(jù)、遵循 EMVA1288 標準比較和選擇相機。

　　EMVA1288 是一套定義要測量相機哪方面的性能、如何測量及如何用統(tǒng)一的方法呈現(xiàn)結果的標準。 白皮書的第一部分將會幫助了解成像傳感器成像性能的各個方面。 它將會概述對理解何時考慮圖像傳感器如何將光轉化成數(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)單一像素并強調這些概念。

　　圖1：圖像傳感器如何把光線轉換為數(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。 因為光源在隨機時間產生光子，感知光密度時就會產生噪音。 光的物理學表明，光密度方面觀測到的噪音，同等于光源所生成光子數(shù)的平方根。 這個噪音類型稱為散粒噪聲。

　　應該注意的是，一個像素觀測到的光子數(shù)將會取決于曝光時間和光密度。 這篇文章考慮光子數(shù)位曝光時間和光密度的組合。 同樣地，像素大小對傳感器的光收集能力有非線性影響，因為其需要平方，以確定光敏感區(qū)域。 這在下一篇文章中，比較兩個相機的性能的篇幅中，將會有更詳細的討論。

　　把光數(shù)位化的第一步是要將光子轉化成電子。 這篇文章沒有探究傳感器如何這樣做，而是介紹轉化效率的測量。 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，一個的 QE 為 50%，因為當6個光子“落”到傳感器上時生成 3 個電子。

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

　　一旦像素完成光收集，井的變化被測定，而這個測量值稱為信號。 圖 1 中的信號測得值被表示為箭頭測量表。 與這個測量相關的錯誤稱為顳暗噪聲或讀出噪聲。

　　最后，將信號值（以電子數(shù)表達）轉化成 16 位模擬數(shù)字單元 (ADU)像數(shù)值，從而確定灰度等級。 模擬信號值與數(shù)字灰度等級之間的比率被稱為增益，并被測定為每 ADU 的電子數(shù)。 按照 EMVA1288 標準的定義，增益參數(shù)不應該與“模擬數(shù)字”轉化過程混淆。

　　評估相機性能時，通常涉及信噪比和動態(tài)范圍。 相機性能的這兩個測量考慮相機光測到的噪聲與信號的比率。 不同之處就是動態(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。

　　絕對靈敏度閾值就是得到相當于傳感器所觀測噪聲之信號所需的光子數(shù)。 這是個重要指標，因為它代表觀測任何根本有意義信號所需最低光量的理論值。 后面的文章將會講到這個測量的詳情。

　　為了輔助根據(jù) EMVA1288 標準比較傳感器和相機，F(xiàn)LIR 對超過 70 個相機型號創(chuàng)建了行業(yè)第一的全面成像性能研究。

　　比較相機的低光性能

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

　　解決這個挑戰(zhàn)的常規(guī)方法就是試錯法。讓我們舉一個例子，其中視覺系統(tǒng)設計師確定，VGA相機有以30 FPS運行的1/4'' CCD在本應用中已經(jīng)足夠。初始檢測可以證實，當相機靜止時，相機在10毫秒曝光時間下有足夠靈敏度。見圖2用能夠輕易被視覺算法所混淆的字符B、8、D和0作一個簡單的范例。左上方的圖像用1/4'' CCD相機拍攝，產生的圖像適合圖像處理。

　　圖2：得自1/4''和1/2'' CCD相機在不同曝光時間下的結果

　　然而，當對象開始移動時，曝光時間需要縮短，而且相機不能夠提供有用的信息，因為字母“B”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量劣化。尤其是在2.5毫秒曝光時間下，1/4'' CCD產生不適合圖像處理的圖像。

　　出于這個范例的目的，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，設計師需要考慮不同的相機。問題是不同的相機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''傳感器就可能是個好選擇。不是繼續(xù)使用試錯法，而是考慮相機的EMVA 1288成像性能的實用性。

　　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'' 相機是否會表現(xiàn)得更好。

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

　　這篇文章所采用的一個重要的假設就是：鏡頭有相同的視野、相同的F數(shù)和相同的相機設置。

　　圖3：1/4''和1/2'' CCD相機產生的信號作為光水平的函數(shù)

　　該圖表明，若光密度相同，則1/2'' 傳感器將會產生更高的信號?？梢杂^察到的是，飽和發(fā)生于相似的光密度水平（700個光子/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用中，相機的對比需要在低光水平下進行。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，其中計算使用了以下公式：

　　圖4：1/4''和1/2'' CCD相機在低光水平下的信號和噪聲

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

　　圖5顯示兩個相機的SNR，作為照明水平的函數(shù)。

　　圖5：1/4''和1/2'' CCD相機在低光水平下的信噪比

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

　　根據(jù)圖2中的圖像，可以看到的是，在2.5毫秒曝光時間下，1/2''傳感器保留圖形在所有曝光時間下的形狀，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，而且實際結果都符合該理論。

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

　　應該注意的是，本白皮書概述的方法可用于全面了解一種相機與另一種相機相比將會表現(xiàn)得如何。這個方法可幫助排除不可能改善所需性能的相機，然而相機性能的最終檢測就是在實際應用中。

　　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)的相機在低光條件下比帶Sony ICX618 (1/4'' VGA CCD)的相機性能更佳?，F(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的成本是可比的，大約為€400，在CMOS相機中，感興趣的一個VGA領域實際上更接近1/4'' 相機的光學尺寸，而且?guī)试赩GA分辨率下也是相似的。

　　相機的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，這是個至關重要的參數(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間下的效果

　　更有意思的比較是在更高光密度的情況下，因為兩個傳感器之間的飽和量差異。圖8表示在整個全光密度范圍內信號作為光密度的函數(shù)。根據(jù)該圖表可以觀察到的是，ICX414 CCD傳感器將會在大約700光子/μm2處達到飽和量，而IMX249 CMOS傳感器將會在1200光子/μm2以上飽和。

　　圖 8：ICX414 CCD 和 IMX249 CMOS 傳感器產生的信號與光強的關系

　　第一個結論是，ICX414 CCD傳感器產生的圖像將會比IMX249 CMOS傳感器產生的圖像更亮。如果從圖形上看不明顯，試想將會在大約700光子/μm2下產生的圖像。若為ICX414 CCD傳感器，該圖像應該處于最高灰度水平，很有可能處于飽和狀態(tài)，而IMX249 CMOS傳感器將會產生剛剛超過50%最大亮度的圖像。這個觀察很顯著，因為評價相機靈敏度的一個簡單的方法就是觀察圖像的亮度。換句話說，假設就是性能更好的相機將會產生更明亮的圖像。然而，事實并非這樣，而且在這個范例中，實際上是相反的，產生較暗圖像的相機實際上有更好的性能。

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

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

　　最后，我們可以得出結論，最新的全局快門CMOS技術在機器視覺應用中已成為CCD的可靠替代方案。這些傳感器不僅價格便宜，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，傳感器的尺寸對傳感器的性能影響很大，這是因為更大的像素可以收集的最多的光子，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既定的分辨率，會增加傳感器的成本。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（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，這要歸功于該傳感器的背照式設計，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)前照式傳感器設計，使光子更容易進入像素的光敏光電二極管

　　這項新的傳感器設計使Pregius S傳感器系列在利用好最小像素的同時達到前幾代傳感器成像性能，從而能夠以相對較低價格提供分辨率更高的傳感器。

　　結論：

　　在本白皮書中，我們了解到評價相機性能方面說用的關鍵概念。我們介紹了EMVA1288標準，并且運用了結果，以比較相機在各種光照條件下的性能。評價相機時，相機性能仍有更多的方面可以考慮。例如，量子效率在不同波長下變化顯著，因此在525nm表現(xiàn)良好的相機，在光源處于近紅外線(NIR)頻率時也可能幾乎無法工作。同樣，熒光和天文學常見的長曝光時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迷人而復雜的話題。

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