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關于圖像傳感器圖像質量的四大誤區(qū)!你踩過幾個坑?

發(fā)布時間:2023-03-24 來源:安森美 責任編輯:wenwei

【導讀】當前我們對圖像傳感器的依賴程度超出了大多數(shù)人的想象。圖像傳感器應用在汽車上,幫助我們避免碰撞;應用于建筑監(jiān)控,防止非法入侵;應用于生產線,檢查產品的質量。有趣的是,人們經常按照像素大小和分辨率等非常簡單的指標,對圖像傳感器進行分類,但為不同應用選擇合適的傳感器要比這復雜得多。


分辨率


我們依賴傳感器來探測危險,或檢測產品中的缺陷,因而傳感器的圖像質量至關重要。系統(tǒng)設計人員和最終用戶通常認為,更高的分辨率(即圖像中的像素更多)可以增強圖像質量,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細節(jié),有助于進行目標識別,但也有其他一些因素需要考慮。更高的分辨率會對一些關鍵參數(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、存儲空間和處理能力。如果必須達到更高的分辨率,那么減小像素大小可以維持鏡頭和攝像機尺寸,以達到成本和尺寸目標,同時增強圖像質量。


人們常以為需要增加盡可能多的像素,而不考慮這決策對成本和系統(tǒng)性能的影響。每當新項目啟動時,首先應進行全面的需求分析,需要考慮產品的最終用途、核心參數(shù)及各種約束條件,例如鏡頭和機身的物理尺寸、功率等限制因素。這樣可以確保傳感器更符合您的應用需求,不會因過早依據(jù)分辨率而縮小選擇面。


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圖 1. 使用 1/1.5 英寸 540 萬像素 3 μm 分立二極管傳感器之前的分辨率


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圖 2. 使用 1/1.8 英寸 830 萬像素 2.1 μm 超級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。而設計人員可能就在這些不太起眼的方面做出了妥協(xié),例如電源的設計。這種妥協(xié)會降低圖像質量,因為來自電源組件的電噪聲可能導致各種圖像缺陷,可能是某些細微的缺陷,也可能是每個觀看者都會注意到的明顯缺陷,但他們可能并不知道缺陷的起因。


實質上,圖像傳感器就是光子計數(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。來自電源的電壓尖峰或電壓瞬變可能導致最終的圖像輸出存在缺陷。雖然傳感器的設計允許電源電壓在容差范圍內波動,但一旦出現(xiàn)超出這個范圍的偏差,就會影響圖像質量。因此,供電的質量是攝像系統(tǒng)設計中的一個至關重要的因素。


噪聲源


器件在測量光照時不出現(xiàn)任何誤差或偏差只存在于理想情況中;在現(xiàn)實中,傳感器芯片中的電路會遇到不同的噪聲源,影響每個像素的信號電平,進而影響最終圖像中的像素。一般來說,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非均勻性 (DSNU) 的噪聲源帶來了更大的挑戰(zhàn)。


在完全黑暗的條件下拍攝圖像時,會出現(xiàn) DSNU 噪聲源:由于場景是完全黑暗的,理應完全沒有信號,但有些電子會出現(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,讓整個圖像都變得暗一點。但如果這種噪聲在像素陣列上不是均勻分布的,就會出現(xiàn)問題,因而 DSNU 是衡量像素陣列差異大小的指標,而隨著傳感器溫度升高,這個問題會變得更嚴重。


由于會受溫度影響,傳感器可能在有空調的實驗室內測試結果良好,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)境對控制 DSNU 帶來了極大的挑戰(zhàn),由于沒有太多的有效信號,這種噪聲源將變得更加明顯。為了解決這個問題,應在系統(tǒng)常規(guī)工作的溫度范圍內和不同光照條件下,對任何傳感器進行測量。如果僅根據(jù)室溫環(huán)境中的測試來選擇圖像傳感器,則在溫度升高時,可能遇到意外情況。


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信噪比 (SNR)


信噪比的英文縮寫為 SNR,定義為信號功率與噪聲功率的平均比率。無論噪聲多大,如果信噪比非常高,則噪聲對圖像的影響會小得多。這就好比餐館賬單上的錯誤。如果您只點了一杯咖啡,多 3 美元就很容易發(fā)現(xiàn),但如果是一大群人用餐,賬單金額達到幾百美元,您可能不會注意到多出的費用,因為它占總金額的百分比非常小,即使在兩種情況下都是 3 美元。同樣,如果信號來自數(shù)千個光子,就算多幾個光子,您可能也不會注意到多出的信號。


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。在低光向亮光轉換的過渡區(qū)域,仍然存在一些設計限制。要在不引入技術細節(jié)的情況下解釋清楚這一點不太容易,但我們可以將它比作自行車上的齒輪以便理解。如果您有一輛10速自行車,它會帶有一個針對低速優(yōu)化的齒輪和一個針對最高速優(yōu)化的齒輪,兩者之間還有很多檔位。假定自行車只有最高速齒輪、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、從中速到高速的轉換則不會太舒適,在騎行的某些路段,您會發(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作圖像傳感器的主要指標,特意選擇信噪比良好區(qū)域的性能統(tǒng)計數(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量。這就類似于上述示例中的自行車制造商將 3 速自行車的平均齒輪比數(shù)據(jù)用到10速自行車上。中速齒輪約為所有3個檔位的平均值,但從低速到中速、從中速到高速的轉換存在很大的空白,現(xiàn)有的3個齒輪都不是理想的選擇。設計人員必須知道這一點,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,對傳感器進行測試,并且測量整個范圍內的信噪比,看看您是否會受到“自行車缺少齒輪”的影響。


簡而言之,如果圖像質量對于您的圖像傳感器應用至關重要,您必須避開一些潛在的陷阱。對分辨率和噪聲影響所做的假設必須通過測試加以驗證,從而確保在最終系統(tǒng)設計中不出意外。


來源:安森美,Geoff Ballew



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