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如何评估相机的灵敏度

发布时间:2016-01-07     来源:中国视觉网       访问次数:10018


  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


  首先,我们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。有关这方面的详细内容将在下文比较两台相机的性能部分加以讨论。

光的数字化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。下文将介绍该测量的更多细节。



  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 FPS的 1/4'' 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B、8、D和0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2:1/4''和1/2''的CCD相机在不同的曝光时间下拍摄的图像


  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''和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:


信号值=光密度× (像素尺寸) 2 ×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。


  图3:1/4''和1/2'' CCD相机产生的信号是光密度的一个函数


   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''和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中的显示的噪声包括颞暗噪声和散粒暗噪声,由下列公式计算:


图4:在低光水平下,1/4''和1/2''CCD相机的信号和噪声情况


  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''和1/2''CCD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。
  Point Grey已经做了广泛的相机研究工作,并且已经出版了EMVA 1288成像性能结果。该信息可用于比较不同相机型号的性能。相机的实施确实会影响成像性能,在比较两款文档中包括传感器的相机时,这项研究通常会非常有用。

  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。
  乍一看,这似乎是在比较“苹果和橘子”。然而,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EMVA1288数据显示,IMX249CMOS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,ICX414CCD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。


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

图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


  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,ICX414CCD传感器在光密度约为700个光子/µm2时达到饱和容量;而IMX249CMOS传感器则在光密度超过1200个光子/µm2后才达到饱和。



 图8:ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器产生的信号是光密度的一个函数


  可以得出的第一个结论是,ICX414CCD传感器产生的图像,比IMX249CMOS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,您可以想象一下,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IMX249CMOS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。


图9:在光线不佳的条件下,ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器所产生的图像效果


  第二个结论是,IMX249CMOS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,ICX414CCD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,IMX249CMOS传感器在场景的亮区和暗区都产生了清晰可见的字符。
  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
  在本白皮书中,我们了解到了在评估相机性能时所使用的几个关键概念。我们介绍了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。