比較基本的
工業(yè)相機(jī)規(guī)格，如幀率、分辨率、接口這些指標(biāo)比較容易；但是比較相機(jī)的成像性能，如量子效率、顳暗噪聲和飽和容量這些指標(biāo)就不那么簡(jiǎn)單了。首先，我們需要理解這些不同的測(cè)量真正意味著什么。
什么是量子效率？它是在峰值波長(zhǎng)或某個(gè)特定波長(zhǎng)處測(cè)量嗎？信噪比和動(dòng)態(tài)范圍之間到底有何不同？本白皮書(shū)將一一解答這些問(wèn)題，并介紹如何利用遵循EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)的成像性能數(shù)據(jù)來(lái)比較和選擇相機(jī)。
EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)定義了測(cè)量
工業(yè)相機(jī)性能的各個(gè)方面、如何對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量、以及如何以一種統(tǒng)一的方法呈現(xiàn)這些測(cè)量結(jié)果。本白皮書(shū)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(huì)介紹一些基本概念，這些基本概念對(duì)于理解“圖像傳感器是如何將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像、并最終決定傳感器的性能”而言至關(guān)重要。
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(chǎn)生。因?yàn)楣庠措S機(jī)產(chǎn)生光子，因此在光強(qiáng)中會(huì)存在噪聲。光物理學(xué)認(rèn)為，在光強(qiáng)中觀察到的噪聲，等價(jià)于由光源產(chǎn)生的光子數(shù)的平方根。這種噪聲稱(chēng)為散粒噪聲。
應(yīng)當(dāng)指出的是，從一個(gè)像素中觀測(cè)到的光子數(shù)，將取決于曝光時(shí)間和光強(qiáng)。本文將光子數(shù)看作是曝光時(shí)間和光強(qiáng)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(xiàn)性關(guān)系，因?yàn)橄袼爻叽缧枰椒胶螅趴捎糜诖_定光敏區(qū)域。
數(shù)字化光的第一個(gè)步驟是將光子轉(zhuǎn)換為電子。本文將不再贅述傳感器是如何完成這個(gè)轉(zhuǎn)換的，而是介紹了轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量。在數(shù)字化過(guò)程中產(chǎn)生的電子與光子的比率，被稱(chēng)為量子效率（QE）。圖1中所示例的傳感器的量子效率為50％，因?yàn)橛?個(gè)光子“落在”傳感器上，產(chǎn)生了3個(gè)電子。
在電子被數(shù)字化之前，它們被存儲(chǔ)在像素內(nèi)，被稱(chēng)為阱。阱中可以存儲(chǔ)的電子數(shù)，稱(chēng)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(wú)法被保存。
一旦像素完成光的收集，便對(duì)阱中的電荷進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)量被稱(chēng)為信號(hào)。與該測(cè)量相關(guān)的誤差被稱(chēng)為顳暗噪聲或讀出噪聲。
最后，灰度級(jí)是通過(guò)將信號(hào)值（以電子表示）換算成16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元（ADU）的像素值來(lái)確定的。模擬信號(hào)值與數(shù)字灰度級(jí)值之間的比率，被稱(chēng)為增益，并以每ADU中的電子數(shù)來(lái)測(cè)量。請(qǐng)勿將EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)所定義的增益參數(shù)與“模擬到數(shù)字”轉(zhuǎn)換過(guò)程中的增益相混淆。
在評(píng)估
工業(yè)相機(jī)性能時(shí)，通常會(huì)參考信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。相機(jī)的這兩項(xiàng)性能的測(cè)量，都要考慮信號(hào)和相機(jī)噪聲之間的比率。不同之處在于，動(dòng)態(tài)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(duì)靈敏度閾值是使“信號(hào)等同于由傳感器產(chǎn)生的噪聲”的光子數(shù)。這是一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)樗砹四軌蛴^察到任何有意義的信號(hào)、理論上所需要的最小光量。
比較相機(jī)的低光性能
在本白皮書(shū)中，我們將考慮如車(chē)牌識(shí)別（LPR）或光學(xué)字符識(shí)別（OCR）等應(yīng)用，在這類(lèi)應(yīng)用中，通常使用黑白成像，相機(jī)能夠收集的光的數(shù)量，可能會(huì)受限于較短的曝光時(shí)間。確定解決成像問(wèn)題所需要的分辨率、幀率和視場(chǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單；然而要確定是否該相機(jī)具有足夠的成像性能就較為困難了。
這一挑戰(zhàn)通常通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)加以解決。我們來(lái)看一個(gè)例子：一位視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者認(rèn)為，針對(duì)上述提到的這類(lèi)應(yīng)用，一款運(yùn)行幀率為30 FPS的1/4'' CCD VGA相機(jī)就足以勝任了。初始測(cè)試表明，當(dāng)物體靜止時(shí)，該相機(jī)在10 ms的曝光時(shí)間下具有足夠的靈敏度。
然而，當(dāng)物體開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，曝光時(shí)間需要減少，相機(jī)便不能提供有用的信息，因?yàn)樽帜?ldquo;B”和“D”無(wú)法從數(shù)字“8”和“0”中被區(qū)分出來(lái)。
在這個(gè)例子中，假設(shè)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(guò)打開(kāi)鏡頭的快門(mén)來(lái)收集更多的光。
因此，設(shè)計(jì)人員需要考慮選擇不同的相機(jī)。現(xiàn)在的問(wèn)題是：是否選擇不同的相機(jī)能改善系統(tǒng)的性能。使用更大的傳感器，已經(jīng)被普遍認(rèn)為是解決低光性能問(wèn)題的一個(gè)好辦法，因此1/2''傳感器將是不錯(cuò)的選擇。這里無(wú)需再進(jìn)行反復(fù)摸索，參考相機(jī)的EMVA 1288成像性能很有用。
通過(guò)EMVA 1288數(shù)據(jù)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(jī)是否具有更好的表現(xiàn)。
本文所做的一個(gè)重要假設(shè)是：兩款相機(jī)具有相同的設(shè)置，鏡頭具有的相同的視場(chǎng)、相同的F值。
在光密度相同的情況下，1/2''傳感器將產(chǎn)生更高的信號(hào)。此外，1/4''和1/2''傳感器基本都在700個(gè)光子/μm2的光密度下達(dá)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(shū)所考慮的應(yīng)用中，相機(jī)的比較需要在低光水平下進(jìn)行。因此，考慮噪聲水平變得尤為重要。
1/2''傳感器比1/4''傳感器在略微低的光密度下達(dá)到了絕對(duì)靈敏度閾值。要進(jìn)一步確定哪款相機(jī)在低光應(yīng)用中具有更好的表現(xiàn)，還需要進(jìn)行一項(xiàng)更重要的測(cè)量便是信噪比（SNR）。
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(rèn)為1/2''相機(jī)應(yīng)該比1/4''相機(jī)在低光水平下具有更好的表現(xiàn)。
可以看出，在2.5 ms的曝光時(shí)間內(nèi)，1/2''傳感器在所有曝光時(shí)間內(nèi)捕捉到了字符的形狀；而1/4''傳感器在該曝光時(shí)間內(nèi)所拍攝到的字符卻難以區(qū)分。因此1/2''傳感器具有更好的表現(xiàn)，并且實(shí)際結(jié)果與理論相符。
應(yīng)當(dāng)指出的是，在總體了解一臺(tái)相機(jī)將比另一臺(tái)相機(jī)如何有更好的表現(xiàn)時(shí)，本白皮書(shū)中所概述的方法是非常有用的。這種方法可以幫助排除那些不大可能提高所需性能的相機(jī)；然而，相機(jī)性能的最終測(cè)試將在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行。
傳統(tǒng)CCD傳感器和現(xiàn)代CMOS傳感器的對(duì)比
現(xiàn)在，我們將在低光成像條件下和具有廣泛照明條件的場(chǎng)景下，比較傳統(tǒng)CCD傳感器和現(xiàn)代CMOS傳感器的性能。
上文中已經(jīng)顯示，采用Sony ICX414 1/2'' VGA CCD的相機(jī)，在低光條件下比采用Sony ICX618 1/4'' VGA CCD的相機(jī)具有更好的表現(xiàn)�，F(xiàn)在，我們將1/2'' VGA CCD與最新的Sony Pregius IMX249 1/1.2'' 230萬(wàn)像素全局快門(mén)CMOS傳感器相比較。
采用這兩款傳感器的相機(jī)成本相當(dāng)，大約為400歐元；CMOS相機(jī)中的VGA感興趣區(qū)域，實(shí)際上接近于1/4''相機(jī)的光學(xué)尺寸；在VGA分辨率下，兩款相機(jī)的幀率也類(lèi)似。
相機(jī)的EMVA 1288數(shù)據(jù)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(guān)鍵參數(shù)。
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(qiáng)度下的比較更為有趣。在整個(gè)光強(qiáng)范圍內(nèi)，信號(hào)都是光強(qiáng)的函數(shù)。
可以得出的第一個(gè)結(jié)論是，ICX414 CCD傳感器產(chǎn)生的圖像，比IMX249 CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像更亮。如果這一點(diǎn)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(gè)光子/μm2的光密度下產(chǎn)生的。在采用ICX414 CCD傳感器的情況下，圖像應(yīng)該在最高灰度級(jí)，很可能是飽和的；而IMX249 CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像，其亮度剛好超過(guò)其最大亮度的50％。這個(gè)結(jié)論非常有意義，因?yàn)樵u(píng)估相機(jī)靈敏度的一種簡(jiǎn)易方法便是觀察圖像的亮度。換句話(huà)說(shuō)，這種簡(jiǎn)易方法假設(shè)圖像的亮度越高，拍攝相機(jī)的性能越好。然而，這一觀點(diǎn)并不正確，在上面這個(gè)例子中，結(jié)論實(shí)際上恰恰相反：產(chǎn)生較暗圖像的相機(jī)，實(shí)際上具有更好的性能。
第二個(gè)結(jié)論是，IMX249 CMOS傳感器能在廣泛的照明條件下，產(chǎn)生更適合用于進(jìn)一步處理的圖像。圖9中顯示了兩款相機(jī)對(duì)相同場(chǎng)景的成像結(jié)果。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖像的更暗部分已經(jīng)為顯示目的進(jìn)行了增強(qiáng)，但并未修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)�？梢钥吹�，ICX414 CCD在場(chǎng)景的亮區(qū)達(dá)到飽和，同時(shí)在暗區(qū)存在大量噪聲，使得字符無(wú)法清晰可辨。相比之下，IMX249 CMOS傳感器在場(chǎng)景的亮區(qū)和暗區(qū)都產(chǎn)生了清晰可見(jiàn)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(jié)論：在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，最新的全局快門(mén)CMOS技術(shù)正在成為CCD技術(shù)的一種可行替代選擇。相比于CCD傳感器，CMOS傳感器不僅價(jià)格更便宜、幀率更高、分辨率相當(dāng)、并且沒(méi)有圖像拖尾和光暈，而且在成像性能方面，CMOS傳感器正在開(kāi)始超越CCD。
結(jié)論
在文中，我們了解到了在評(píng)估
工業(yè)相機(jī)性能時(shí)所使用的幾個(gè)關(guān)鍵概念，介紹了EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)、并將結(jié)果應(yīng)用于各種照明條件下的相機(jī)性能比較。在評(píng)估相機(jī)性能時(shí)，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(huì)隨之急劇變化，因此一臺(tái)在525nm光源條件下表現(xiàn)良好的相機(jī)，當(dāng)光源轉(zhuǎn)到近紅外（NIR）波段時(shí)，并不一定能有同樣良好的性能表現(xiàn)。類(lèi)似地，熒光成像和天文成像中常常使用長(zhǎng)曝光時(shí)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(lèi)型噪聲。
