如何評估相機的靈敏度
比較基本的相機規格，如幀率、分辨率、接口這些指標比較容易；但是比較相機的成像性能，如量子效率、顳暗噪聲和飽和容量這些指標就不那么簡單了。首先，我們需要理解這些不同的測量真正意味著什么。
什么是量子效率？它是在峰值波長或某個特定波長處測量嗎？信噪比和動態范圍之間到底有何不同？本白皮書將一一解答這些問題，并介紹如何利用遵循EMVA1288標準的成像性能數據來比較和選擇相機。
EMVA1288標準定義了測量相機性能的各個方面、如何對它們進行測量、以及如何以一種統一的方法呈現這些測量結果。本白皮書的第一部分將介紹圖像傳感器的成像性能。這一部分首先會介紹一些基本概念，這些基本概念對于理解“圖像傳感器是如何將光轉換成數字圖像、并最終決定傳感器的性能”而言至關重要。圖1中以單個像素為例，重點突出了這些概念。
圖1：從光子到灰度級以及一些相關概念。
Light——光(guang)
Photons per μm2——單位面積（μm2）上(shang)的光子
Saturation Capacity——飽和(he)容(rong)量
Pixel size——像素尺寸(cun)
WELL——阱
Shot noise——散粒噪聲(sheng)
Number of photons——光子(zi)數
Quantum efficiency——量子效率(lv)
Sensor——傳感器(qi)
Temporal dark noise——顳暗噪聲
Signal——信號(hao)
Gain——增益
Grey sacle——灰度(du)級(ji)
首先，需要理解光本身所固有的噪聲。光由離散粒子和光子組成，由光源產生。因為光源隨機產生光子，因此在光強中會存在噪聲。光物理學認為，在光強中觀察到的噪聲，等價于由光源產生的光子數的平方根。這種噪聲稱為散粒噪聲。
應當指出的是，從一個像素中觀測到的光子數，將取決于曝光時間和光強。本文將光子數看作是曝光時間和光強的組合。同樣，像素尺寸與傳感器的光收集能力之間存在一種非線性關系，因為像素尺寸需要平方后，才可用于確定光敏區域。
數字化光的第一個步驟是將光子轉換為電子。本文將不再贅述傳感器是如何完成這個轉換的，而是介紹了轉換效率的測量。在數字化過程中產生的電子與光子的比率，被稱為量子效率（QE）。圖1中所示例的傳感器的量子效率為50％，因為有6個光子“落在”傳感器上，產生了3個電子。
在電子被數字化之前，它們被存儲在像素內，被稱為阱。阱中可以存儲的電子數，稱為飽和容量或阱深。如果阱接收到比其飽和容量更多的電子，那么額外的電子將無法被保存。
一旦像素完成光的收集，便對阱中的電荷進行測量，該測量被稱為信號。圖1中的信號測量是用指針式儀表顯示的。與該測量相關的誤差被稱為顳暗噪聲或讀出噪聲。
最后，灰度級是通過將信號值（以電子表示）換算成16位模數轉換器單元（ADU）的像素值來確定的。模擬信號值與數字灰度級值之間的比率，被稱為增益，并以每ADU中的電子數來測量。請勿將EMVA1288標準所定義的增益參數與“模擬到數字”轉換過程中的增益相混淆。
在評估相機性能時，通常會參考信噪比和動態范圍。相機的這兩項性能的測量，都要考慮信號和相機噪聲之間的比率。不同之處在于，動態范圍只考慮顳暗噪聲，而信噪比還要考慮散粒噪聲的均方根總和。
絕對(dui)靈敏度(du)閾值(zhi)是使“信號(hao)(hao)等(deng)同于由(you)傳感器產生的(de)噪(zao)聲”的(de)光子(zi)數。這是一個(ge)重要(yao)指標(biao)，因(yin)為它(ta)代表了能(neng)夠觀(guan)察到任(ren)何有意義(yi)的(de)信號(hao)(hao)、理論上所需要(yao)的(de)最小光量。
比較相機的低光性能
在本白皮書中，我們將考慮如車牌識別（LPR）或光學字符識別（OCR）等應用，在這類應用中，通常使用黑白成像，相機能夠收集的光的數量，可能會受限于較短的曝光時間。確定解決成像問題所需要的分辨率、幀率和視場相對簡單；然而要確定是否該相機具有足夠的成像性能就較為困難了。
這一挑戰通常通過反復試驗加以解決。我們來看一個例子：一位視覺系統設計者認為，針對上述提到的這類應用，一款運行幀率為30 FPS的1/4'' CCD VGA相機就足以勝任了。初始測試表明，當物體靜止時，該相機在10 ms的曝光時間下具有足夠的靈敏度。圖2中顯示了一個簡單的例子：字符B、8、D和0很容易被視覺算法所混淆。左上方利用1/4''CCD相機拍攝的圖像，適合于圖像處理。
圖2：1/4''和1/2''的CCD相機在不同的曝光時間下拍攝的圖像
At 10 ms shutter——曝光時間10 ms
At 5 ms shutter——曝光時間5 ms
At 2.5 ms shutter——曝光時間2.5 ms
然而，當物體開始移動時，曝光時間需要減少，相機便不能提供有用的信息，因為字母“B”和“D”無法從數字“8”和“0”中被區分出來。圖2中，左中和左下方的圖像顯示了圖像質量的退化，特別是利用?'' CCD相機在2.5 ms的曝光時間下拍攝的圖像，很顯然不適合用于圖像處理。
在這個例子中，假設不要求大景深，因此鏡頭的最小F值是可以接受的。換言之，就是不可能通過打開鏡頭的快門來收集更多的光。
因此，設計人員需要考慮選擇不同的相機。現在的問題是：是否選擇不同的相機能改善系統的性能。使用更大的傳感器，已經被普遍認為是解決低光性能問題的一個好辦法，因此1/2''傳感器將是不錯的選擇。這里無需再進行反復摸索，參考相機的EMVA 1288成像性能很有用。
通過EMVA 1288數據可以觀察到：1/4''CCD傳感器具有更好的量子效率和更低的噪聲；但是1/2'' CCD傳感器具有更大的像素和更大的飽和容量。本文介紹了如何確定1/2''相機是否具有更好的表現。
圖3中比較了1/4''和1/2''相機的信號值和光密度（光子數/μm2）之間的曲線圖。該信號作為光密度的一個函數，可以由以下公式確定：
Signal——信號值
Light density——光密度
Pixel size——像素尺寸
Quantum efficiency——量子效率
本文所做的一個重要假設是：兩款相機具有相同的設置，鏡頭具有的相同的視場、相同的F值。
Signal——信號值
Light density——光密度（光子數/μm2）
Saturation capacity——飽和容量
1/2'' Camera signal——1/2''相機產生的信號
1/4'' Camera signal——1/4''相機產生的信號
圖3表明，在光密度相同的情況下，1/2''傳感器將產生更高的信號。此外，從圖3中還可以觀察到，1/4''和1/2''傳感器基本都在700個光子/μm2的光密度下達到了其飽和容量，但很顯然1/2''傳感器的飽和容量值更高。
在本白皮書所考慮的應用中，相機的比較需要在低光水平下進行。因此，考慮噪聲水平變得尤為重要。
圖4顯示了低光水平下的信號和噪聲情況。圖4中顯示的噪聲包括顳暗噪聲和散粒暗噪聲，由下列公式計算：
Noise——噪聲
Temporal dark noise——顳暗噪聲
Shot noise——散粒噪聲
1/2'' camera will……——1/2''相機在更低的光密度下達到了絕對靈敏度閾值
Signal——信號值
Light density——光密度（光子數/μm2）
Saturation capacity——飽和容量
1/2'' Camera signal——1/2''相機產生的信號
1/4'' Camera signal——1/4''相機產生的信號
1/2'' Camera noise——1/2''相機產生的噪聲
1/4'' Camera noise——1/4''相機產生的噪聲
圖4顯示，1/2''傳感器比1/4''傳感器在略微低的光密度下達到了絕對靈敏度閾值。要進一步確定哪款相機在低光應用中具有更好的表現，還需要進行一項更重要的測量便是信噪比（SNR）。
圖5顯示了兩款相(xiang)機的SNR與光密度之間的函數關系。
Signal noise ratio（linear scale）——信噪比（線性）
Light density——光密度（光子數/μm2）
1/2'' Camera signal to noise——1/2''相機的信噪比
1/4'' Camera signal to noise——1/4''相機的信噪比
鑒于1/2''傳感器在低光水平下具有更高的信噪比，因此理論上認為1/2''相機應該比1/4''相機在低光水平下具有更好的表現。
從圖2中的圖像可以看出，在2.5 ms的曝光時間內，1/2''傳感器在所有曝光時間內捕捉到了字符的形狀；而1/4''傳感器在該曝光時間內所拍攝到的字符卻難以區分。因此1/2''傳感器具有更好的表現，并且實際結果與理論相符。
應(ying)當指出的(de)(de)是，在總體(ti)了解一(yi)臺相機(ji)(ji)將(jiang)(jiang)比另一(yi)臺相機(ji)(ji)如何有更好的(de)(de)表現時，本白皮書中所(suo)概述的(de)(de)方法(fa)是非常有用的(de)(de)。這(zhe)種(zhong)方法(fa)可(ke)以幫(bang)助排(pai)除那些不(bu)大可(ke)能(neng)(neng)提高所(suo)需(xu)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)相機(ji)(ji)；然而，相機(ji)(ji)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)最終(zhong)測(ce)試將(jiang)(jiang)在實(shi)際(ji)應(ying)用中進(jin)行。
傳統CCD傳感器和現代CMOS傳感器的對比
現在，我們將在低光成像條件下和具有廣泛照明條件的場景下，比較傳統CCD傳感器和現代CMOS傳感器的性能。
上文中已經顯示，采用Sony ICX414 1/2'' VGA CCD的相機，在低光條件下比采用Sony ICX618 1/4'' VGA CCD的相機具有更好的表現。現在，我們將1/2'' VGA CCD與最新的Sony Pregius IMX249 1/1.2'' 230萬像素全局快門CMOS傳感器相比較。
采用這兩款傳感器的相機成本相當，大約為400歐元；CMOS相機中的VGA感興趣區域，實際上接近于1/4''相機的光學尺寸；在VGA分辨率下，兩款相機的幀率也類似。
相機的EMVA 1288數據顯示，IMX249 CMOS傳感器明顯具有更好的量子效率、更低的噪聲和更高的飽和容量。另一方面，ICX414 CCD傳感器具有更大的像素，這是在上文提及的例子中的關鍵參數。
圖6：在低光條件下，ICX414 CCD傳感器和IMX249 CMOS傳感器的信噪比
IMX249 CMOS sensor……——IMX249 CMOS傳感器將在更低的光密度下達到絕對靈敏度閾值
Signal noise ratio（linear scale）——信噪比（線性）
Light density——光密度（光子數/μm2）
圖7：在不同的曝光時間下，從ICX414 CCD傳感器和IMX249 CMOS傳感器所獲得的拍攝結果
At 2.5 ms shutter——曝光時間2.5 ms
At 1 ms shutter——曝光時間1 ms
由于這兩款傳感器的飽和容量之間存在差異，因此更高的光強度下的比較更為有趣。圖8顯示了在整個光強范圍內，信號都是光強的函數。從圖8中可以觀察到，ICX414 CCD傳感器在光密度約為700個光子/μm2時達到飽和容量；而IMX249 CMOS傳感器則在光密度超過1200個光子/μm2后才達到飽和。
Signal——信號值
Light density——光密度（光子數/μm2）
Saturation capacity——飽和容量
可以得出的第一個結論是，ICX414 CCD傳感器產生的圖像，比IMX249 CMOS傳感器產生的圖像更亮。如果這一點不能從圖中明顯地觀察到，可以想象一下，圖像大約是在700個光子/μm2的光密度下產生的。在采用ICX414 CCD傳感器的情況下，圖像應該在最高灰度級，很可能是飽和的；而IMX249 CMOS傳感器產生的圖像，其亮度剛好超過其最大亮度的50％。這個結論非常有意義，因為評估相機靈敏度的一種簡易方法便是觀察圖像的亮度。換句話說，這種簡易方法假設圖像的亮度越高，拍攝相機的性能越好。然而，這一觀點并不正確，在上面這個例子中，結論實際上恰恰相反：產生較暗圖像的相機，實際上具有更好的性能。
第二個結論是，IMX249 CMOS傳感器能在廣泛的照明條件下，產生更適合用于進一步處理的圖像。圖9中顯示了兩款相機對相同場景的成像結果。應當指出的是，圖像的更暗部分已經為顯示目的進行了增強，但并未修改基礎數據。從圖9中可以看到，ICX414 CCD在場景的亮區達到飽和，同時在暗區存在大量噪聲，使得字符無法清晰可辨。相比之下，IMX249 CMOS傳感器在場景的亮區和暗區都產生了清晰可見的字符。mindvision也用sony這款系列芯片，效果的確出人意料的比CCD效果好。
最后，我們可以得出結論：在機器視覺應用中，最新的全局快門CMOS技術正在成為CCD技術的一種可行替代選擇。相比于CCD傳感器，CMOS傳感器不僅價格更便宜、幀率更高、分辨率相當、并且沒有圖像拖尾和光暈，而且在成像性能方面，CMOS傳感器正在開始超越CCD。
結論
在文中，我們了解到了在評估相機性能時所使用的幾個關鍵概念，介紹了EMVA1288標準、并將結果應用于各種照明條件下的相機性能比較。在評估相機性能時，還有很多方面需要考慮。例如，光源處于不同波段，量子效率會隨之急劇變化，因此一臺在525nm光源條件下表現良好的相機，當光源轉到近紅外（NIR）波段時，并不一定能有同樣良好的性能表現。類似地，熒光成像和天文成像中常常使用長曝光時間，這種情況下需要考慮暗電流，在低光照明條件下，這是一種具有重要影響的類型噪聲。