评估相机的灵敏度有哪些办法

   比较基本的工业相机规格，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标准定义了测量工业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。

   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。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。

   在评估工业相机性能时，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 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。

   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。

   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。 

   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。       

   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，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。 

  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）。               

   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。 

  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。 

   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。在整个光强范围内，信号都是光强的函数。

   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。 

   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。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工业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。