比較基本的相機(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(tài)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(biāo)準(zhǔn)的成像性能數(shù)據(jù)來比較和選擇相機(jī)。

EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)定義了測量相機(jī)性能的各個方面、如何對它們進(jìn)行測量、以及如何以一種統(tǒng)一的方法呈現(xiàn)這些測量結(jié)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(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。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(guān)概念。

Light——光
Photons per μm2——單位面積（μm2）上的光子
Saturation Capacity——飽和容量
Pixel size——像素尺寸
WELL——阱
Shot noise——散粒噪聲
Number of photons——光子數(shù)
Quantum efficiency——量子效率
Sensor——傳感器
Temporal dark noise——顳暗噪聲
Signal——信號
Gain——增益
Grey sacle——灰度級

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。因為光源隨機(jī)產(chǎn)生光子，因此在光強中會存在噪聲。光物理學(xué)認(rèn)為，在光強中觀察到的噪聲，等價于由光源產(chǎn)生的光子數(shù)的平方根。這種噪聲稱為散粒噪聲。

應(yīng)當(dāng)指出的是，從一個像素中觀測到的光子數(shù)，將取決于曝光時間和光強。本文將光子數(shù)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(guān)系，因為像素尺寸需要平方后，才可用于確定光敏區(qū)域。

數(shù)字化光的第一個步驟是將光子轉(zhuǎn)換為電子。本文將不再贅述傳感器是如何完成這個轉(zhuǎn)換的，而是介紹了轉(zhuǎn)換效率的測量。在數(shù)字化過程中產(chǎn)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(chǎn)生了3個電子。

在電子被數(shù)字化之前，它們被存儲在像素內(nèi)，被稱為阱。阱中可以存儲的電子數(shù)，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(jìn)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(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換器單元（ADU）的像素值來確定的。模擬信號值與數(shù)字灰度級值之間的比率，被稱為增益，并以每ADU中的電子數(shù)來測量。請勿將EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)所定義的增益參數(shù)與“模擬到數(shù)字”轉(zhuǎn)換過程中的增益相混淆。
在評估相機(jī)性能時，通常會參考信噪比和動態(tài)范圍。相機(jī)的這兩項性能的測量，都要考慮信號和相機(jī)噪聲之間的比率。不同之處在于，動態(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。

絕對靈敏度閾值是使“信號等同于由傳感器產(chǎn)生的噪聲”的光子數(shù)。這是一個重要指標(biāo)，因為它代表了能夠觀察到任何有意義的信號、理論上所需要的最小光量。

為了幫助用戶根據(jù)EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)比較傳感器和相機(jī)，Point Grey對70多款相機(jī)的成像性能進(jìn)行了全面研究，開創(chuàng)業(yè)內(nèi)先河。詳情請登錄 。

比較相機(jī)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(xué)字符識別（OCR）等應(yīng)用，在這類應(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(jī)具有足夠的成像性能就較為困難了。

這一挑戰(zhàn)通常通過反復(fù)試驗加以解決。我們來看一個例子：一位視覺系統(tǒng)設(shè)計者認(rèn)為，針對上述提到的這類應(yīng)用，一款運行幀率為30 FPS的 1/4'' CCD VGA相機(jī)就足以勝任了。初始測試表明，當(dāng)物體靜止時，該相機(jī)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(jī)拍攝的圖像，適合于圖像處理。

圖2：1/4''和1/2''的CCD相機(jī)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(dāng)物體開始移動時，曝光時間需要減少，相機(jī)便不能提供有用的信息，因為字母“B”和“D”無法從數(shù)字“8”和“0”中被區(qū)分出來。圖2中，左中和左下方的圖像顯示了圖像質(zhì)量的退化，特別是利用?'' CCD相機(jī)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(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，就是不可能通過打開鏡頭的快門來收集更多的光。
因此，設(shè)計人員需要考慮選擇不同的相機(jī)。現(xiàn)在的問題是：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(jìn)行反復(fù)摸索，參考相機(jī)的EMVA 1288成像性能很有用。

相機(jī)

傳感器

像素尺寸(μm)

量子效率（%）

顳暗噪聲（e-）

飽和容量（e-）

?

1/4’’ 相機(jī)
(FL3-GE-03S1M-C)

ICX618

5.6

70

11.73

14,508

?

1/2’’ 相機(jī)
(BFLY-PGE-03S3M-C)

ICX414

9.9

39

19.43

25,949

通過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)。

圖3中比較了1/4''和1/2''相機(jī)的信號值和光密度（光子數(shù)/μm2）之間的曲線圖。該信號作為光密度的一個函數(shù)，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(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、相同的F值。

圖3：1/4''和1/2'' CCD相機(jī)產(chǎn)生的信號是光密度的一個函數(shù)。

Signal——信號值
Light density——光密度（光子數(shù)/μm2）
Saturation capacity——飽和容量
1/2'' Camera signal——1/2''相機(jī)產(chǎn)生的信號
1/4'' Camera signal——1/4''相機(jī)產(chǎn)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(chǎn)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(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。

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

圖4：在低光水平下，1/4''和1/2''CCD相機(jī)的信號和噪聲情況。

1/2'' camera will……——1/2''相機(jī)在更低的光密度下達(dá)到了絕對靈敏度閾值
Signal——信號值
Light density——光密度（光子數(shù)/μm2）
Saturation capacity——飽和容量
1/2'' Camera signal——1/2''相機(jī)產(chǎn)生的信號
1/4'' Camera signal——1/4''相機(jī)產(chǎn)生的信號
1/2'' Camera noise——1/2''相機(jī)產(chǎn)生的噪聲
1/4'' Camera noise——1/4''相機(jī)產(chǎn)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(dá)到了絕對靈敏度閾值。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)行一項更重要的測量便是信噪比（SNR）。

圖5顯示了兩款相機(jī)的SNR與光密度之間的函數(shù)關(guān)系。

圖5：低光水平下1/4''和1/2''CCD相機(jī)的信噪比。

Signal noise ratio（linear scale）——信噪比（線性）
Light density——光密度（光子數(shù)/μm2）
1/2'' Camera signal to noise——1/2''相機(jī)的信噪比
1/4'' Camera signal to noise——1/4''相機(jī)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(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)。

從圖2中的圖像可以看出，在2.5 ms的曝光時間內(nèi)，1/2''傳感器在所有曝光時間內(nèi)捕捉到了字符的形狀；而1/4''傳感器在該曝光時間內(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)，并且實際結(jié)果與理論相符。

Point Grey已經(jīng)做了廣泛的相機(jī)研究工作，并且已經(jīng)出版了EMVA 1288成像性能結(jié)果。該信息可用于比較不同相機(jī)型號的性能。相機(jī)的實施確實會影響成像性能，在比較兩款文檔中包括傳感器的相機(jī)時，這項研究通常會非常有用。

應(yīng)當(dāng)指出的是，在總體了解一臺相機(jī)將比另一臺相機(jī)如何有更好的表現(xiàn)時，本白皮書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)性能的最終測試將在實際應(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'' 230萬像素全局快門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)。

相機(jī)

傳感器

像素尺寸(μm)

量子效率（%）

顳暗噪聲（e-）

飽和容量（e-）

?

1/2" CCD 相機(jī)
(BFLY-PGE-03S3M-C)

ICX414

9.9

39

19.43

25,949

?

1/1.2" CMOS 相機(jī)(BFLY-PGE-23S6M-C)

IMX249

5.86

80

7.11

33,105

?

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(dá)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(shù)/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(jié)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(nèi)，信號都是光強的函數(shù)。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(dá)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(dá)到飽和。

圖8：ICX414 CCD和IMX249 CMOS傳感器產(chǎn)生的信號是光密度的一個函數(shù)。

Signal——信號值
Light density——光密度（光子數(shù)/μm2）
Saturation capacity——飽和容量

可以得出的第一個結(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(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，很可能是飽和的；而IMX249 CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像，其亮度剛好超過其最大亮度的50％。這個結(jié)論非常有意義，因為評估相機(jī)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(shè)圖像的亮度越高，拍攝相機(jī)的性能越好。然而，這一觀點并不正確，在上面這個例子中，結(jié)論實際上恰恰相反：產(chǎn)生較暗圖像的相機(jī)，實際上具有更好的性能。

圖9：在光線不佳的條件下，ICX414 CCD和IMX249 CMOS傳感器所產(chǎn)生的圖像效果。

第二個結(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)對相同場景的成像結(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，但并未修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從圖9中可以看到，ICX414 CCD在場景的亮區(qū)達(dá)到飽和，同時在暗區(qū)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(qū)和暗區(qū)都產(chǎn)生了清晰可見的字符。
最后，我們可以得出結(jié)論：在機(jī)器視覺應(yīng)用中，最新的全局快門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傳感器不僅價格更便宜、幀率更高、分辨率相當(dāng)、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(jié)論

在本白皮書中，我們了解到了在評估相機(jī)性能時所使用的幾個關(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。在評估相機(jī)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(xiàn)良好的相機(jī)，當(dāng)光源轉(zhuǎn)到近紅外（NIR）波段時，并不一定能有同樣良好的性能表現(xiàn)。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。