比較基本的工業(yè)相機規(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。 

   EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)定義了測量工業(yè)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(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。

   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。因為光源隨機產(chǎn)生光子，因此在光強中會存在噪聲。光物理學(xué)認為，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，便對阱中的電荷進行測量，該測量被稱為信號。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。

   在評估工業(yè)相機性能時，通常會參考信噪比和動態(tài)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(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。 

   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(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相機就足以勝任了。初始測試表明，當(dāng)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。

   然而，當(dāng)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(shù)字“8”和“0”中被區(qū)分出來。

   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�，F(xiàn)在的問題是：是否選擇不同的相機能改善系統(tǒng)的性能。使用更大的傳感器，已經(jīng)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(fù)摸索，參考相機的EMVA 1288成像性能很有用。 

   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''相機是否具有更好的表現(xiàn)。 

   本文所做的一個重要假設(shè)是：兩款相機具有相同的設(shè)置，鏡頭具有的相同的視場、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。此外，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(yīng)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。 

  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(yīng)用中具有更好的表現(xiàn)，還需要進行一項更重要的測量便是信噪比（SNR）。               

   鑒于1/2''傳感器在低光水平下具有更高的信噪比，因此理論上認為1/2''相機應(yīng)該比1/4''相機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。 

  應(yīng)當(dāng)指出的是，在總體了解一臺相機將比另一臺相機如何有更好的表現(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；然而，相機性能的最終測試將在實際應(yīng)用中進行。 

   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，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(xiàn)。現(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成本相當(dāng)，大約為400歐元；CMOS相機中的VGA感興趣區(qū)域，實際上接近于1/4''相機的光學(xué)尺寸；在VGA分辨率下，兩款相機的幀率也類似。 

   相機的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，因此更高的光強度下的比較更為有趣。在整個光強范圍內(nèi)，信號都是光強的函數(shù)。

   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，實際上具有更好的性能。 

   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(jié)果。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖像的更暗部分已經(jīng)為顯示目的進行了增強，但并未修改基礎(chǔ)數(shù)據(jù)�？梢钥吹�，ICX414 CCD在場景的亮區(qū)達到飽和，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。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 

   在文中，我們了解到了在評估工業(yè)相機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(xiàn)良好的相機，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。