【導(dǎo)讀】當(dāng)前我們對(duì)圖像傳感器的依賴(lài)程度超出了大多數(shù)人的想象。圖像傳感器應(yīng)用在汽車(chē)上,幫助我們避免碰撞;應(yīng)用于建筑監(jiān)控,防止非法入侵;應(yīng)用于生產(chǎn)線,檢查產(chǎn)品的質(zhì)量。有趣的是,人們經(jīng)常按照像素大小和分辨率等非常簡(jiǎn)單的指標(biāo),對(duì)圖像傳感器進(jìn)行分類(lèi),但為不同應(yīng)用選擇合適的傳感器要比這復(fù)雜得多。
分辨率
我們依賴(lài)傳感器來(lái)探測(cè)危險(xiǎn),或檢測(cè)產(chǎn)品中的缺陷,因而傳感器的圖像質(zhì)量至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和最終用戶通常認(rèn)為,更高的分辨率(即圖像中的像素更多)可以增強(qiáng)圖像質(zhì)量,但情況并非總是如此。更高的分辨率固然可以保留圖像的銳化邊緣和精細(xì)細(xì)節(jié),有助于進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別,但也有其他一些因素需要考慮。更高的分辨率會(huì)對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)造成不利影響,比如捕獲速度/幀率、傳感器尺寸和傳感器功耗。它還會(huì)影響其他一些系統(tǒng)因素,例如更大的圖像需要更高的帶寬、存儲(chǔ)空間和處理能力。如果必須達(dá)到更高的分辨率,那么減小像素大小可以維持鏡頭和攝像機(jī)尺寸,以達(dá)到成本和尺寸目標(biāo),同時(shí)增強(qiáng)圖像質(zhì)量。
人們常以為需要增加盡可能多的像素,而不考慮這決策對(duì)成本和系統(tǒng)性能的影響。每當(dāng)新項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí),首先應(yīng)進(jìn)行全面的需求分析,需要考慮產(chǎn)品的最終用途、核心參數(shù)及各種約束條件,例如鏡頭和機(jī)身的物理尺寸、功率等限制因素。這樣可以確保傳感器更符合您的應(yīng)用需求,不會(huì)因過(guò)早依據(jù)分辨率而縮小選擇面。
圖 1. 使用 1/1.5 英寸 540 萬(wàn)像素 3 μm 分立二極管傳感器之前的分辨率
圖 2. 使用 1/1.8 英寸 830 萬(wàn)像素 2.1 μm 超級(jí)曝光傳感器之后的分辨率
電源
圖像傳感器的性能還在很大程度上取決于其他系統(tǒng)組件,這些組件可能不在光路上,甚至不是傳感器的一部分,因而可能不太起眼。而設(shè)計(jì)人員可能就在這些不太起眼的方面做出了妥協(xié),例如電源的設(shè)計(jì)。這種妥協(xié)會(huì)降低圖像質(zhì)量,因?yàn)閬?lái)自電源組件的電噪聲可能導(dǎo)致各種圖像缺陷,可能是某些細(xì)微的缺陷,也可能是每個(gè)觀看者都會(huì)注意到的明顯缺陷,但他們可能并不知道缺陷的起因。
實(shí)質(zhì)上,圖像傳感器就是光子計(jì)數(shù)器。在微光條件下,光子數(shù)量較低,因而系統(tǒng)中的任何“噪聲”在圖像中表現(xiàn)得更為明顯。來(lái)自電源的電壓尖峰或電壓瞬變可能導(dǎo)致最終的圖像輸出存在缺陷。雖然傳感器的設(shè)計(jì)允許電源電壓在容差范圍內(nèi)波動(dòng),但一旦出現(xiàn)超出這個(gè)范圍的偏差,就會(huì)影響圖像質(zhì)量。因此,供電的質(zhì)量是攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)至關(guān)重要的因素。
噪聲源
器件在測(cè)量光照時(shí)不出現(xiàn)任何誤差或偏差只存在于理想情況中;在現(xiàn)實(shí)中,傳感器芯片中的電路會(huì)遇到不同的噪聲源,影響每個(gè)像素的信號(hào)電平,進(jìn)而影響最終圖像中的像素。一般來(lái)說(shuō),使用最新傳感器可以很好地控制讀出噪聲,但另一種名為暗信號(hào)非均勻性 (DSNU) 的噪聲源帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。
在完全黑暗的條件下拍攝圖像時(shí),會(huì)出現(xiàn) DSNU 噪聲源:由于場(chǎng)景是完全黑暗的,理應(yīng)完全沒(méi)有信號(hào),但有些電子會(huì)出現(xiàn)異常行為,它們被算作由入射光引起的,造成圖像不是完全黑色的。如果每個(gè)像素都有這種情況,可以減去這些噪聲,就好比您在編輯一張照片時(shí),讓整個(gè)圖像都變得暗一點(diǎn)。但如果這種噪聲在像素陣列上不是均勻分布的,就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,因而 DSNU 是衡量像素陣列差異大小的指標(biāo),而隨著傳感器溫度升高,這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得更嚴(yán)重。
由于會(huì)受溫度影響,傳感器可能在有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試結(jié)果良好,但在戶外的炎熱環(huán)境下,表現(xiàn)得不盡如人意。炎熱的夜間環(huán)境對(duì)控制 DSNU 帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),由于沒(méi)有太多的有效信號(hào),這種噪聲源將變得更加明顯。為了解決這個(gè)問(wèn)題,應(yīng)在系統(tǒng)常規(guī)工作的溫度范圍內(nèi)和不同光照條件下,對(duì)任何傳感器進(jìn)行測(cè)量。如果僅根據(jù)室溫環(huán)境中的測(cè)試來(lái)選擇圖像傳感器,則在溫度升高時(shí),可能遇到意外情況。
信噪比 (SNR)
信噪比的英文縮寫(xiě)為 SNR,定義為信號(hào)功率與噪聲功率的平均比率。無(wú)論噪聲多大,如果信噪比非常高,則噪聲對(duì)圖像的影響會(huì)小得多。這就好比餐館賬單上的錯(cuò)誤。如果您只點(diǎn)了一杯咖啡,多 3 美元就很容易發(fā)現(xiàn),但如果是一大群人用餐,賬單金額達(dá)到幾百美元,您可能不會(huì)注意到多出的費(fèi)用,因?yàn)樗伎偨痤~的百分比非常小,即使在兩種情況下都是 3 美元。同樣,如果信號(hào)來(lái)自數(shù)千個(gè)光子,就算多幾個(gè)光子,您可能也不會(huì)注意到多出的信號(hào)。
再回到圖像傳感器,如果您的圖像包含亮光區(qū)域和暗光區(qū)域,您將在某些區(qū)域發(fā)現(xiàn)更多噪聲。出人意料的是,這些噪聲可能不在圖像的暗光部分,而可能在“中光”區(qū)域。在低光向亮光轉(zhuǎn)換的過(guò)渡區(qū)域,仍然存在一些設(shè)計(jì)限制。要在不引入技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下解釋清楚這一點(diǎn)不太容易,但我們可以將它比作自行車(chē)上的齒輪以便理解。如果您有一輛10速自行車(chē),它會(huì)帶有一個(gè)針對(duì)低速優(yōu)化的齒輪和一個(gè)針對(duì)最高速優(yōu)化的齒輪,兩者之間還有很多檔位。假定自行車(chē)只有最高速齒輪、中速齒輪、最低速齒輪:您將擁有適用于慢速(低光)、中速(中光)、快速(亮光)騎行的合適齒輪,但從低速到中速、從中速到高速的轉(zhuǎn)換則不會(huì)太舒適,在騎行的某些路段,您會(huì)發(fā)現(xiàn)這些缺少的齒輪很重要。
有些制造商常將平均信噪比當(dāng)作圖像傳感器的主要指標(biāo),特意選擇信噪比良好區(qū)域的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),暗示這些數(shù)據(jù)代表了所有光照條件下的整體圖像質(zhì)量。這就類(lèi)似于上述示例中的自行車(chē)制造商將 3 速自行車(chē)的平均齒輪比數(shù)據(jù)用到10速自行車(chē)上。中速齒輪約為所有3個(gè)檔位的平均值,但從低速到中速、從中速到高速的轉(zhuǎn)換存在很大的空白,現(xiàn)有的3個(gè)齒輪都不是理想的選擇。設(shè)計(jì)人員必須知道這一點(diǎn),不要受到“平均”信噪比的蒙蔽。解決方法是在所需的各種不同光照條件下,對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試,并且測(cè)量整個(gè)范圍內(nèi)的信噪比,看看您是否會(huì)受到“自行車(chē)缺少齒輪”的影響。
簡(jiǎn)而言之,如果圖像質(zhì)量對(duì)于您的圖像傳感器應(yīng)用至關(guān)重要,您必須避開(kāi)一些潛在的陷阱。對(duì)分辨率和噪聲影響所做的假設(shè)必須通過(guò)測(cè)試加以驗(yàn)證,從而確保在最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不出意外。
來(lái)源:安森美,Geoff Ballew
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