相机很容易比较的基本规范像分辨率,帧速率和接口。对比成像相机的性能如颞暗噪声,量子效率和饱和能力可能是一个挑战。重要的是要理解这些不同测量意味着什么。
信噪比是如何不同于动态范围?什么是量子效率,它是测量峰值或在一个特定的波长?本文将探讨这些问题,并解释如何比较和选择相机基于EMVA1288后的成像性能数据标准。
EMVA1288是一个标准,它定义了相机的性能测量的特点,如何衡量他们,如何以统一的方式呈现结果。本文的第一部分将有助于理解成像传感器的成像性能的不同方面。
基本概念的理解是至关重要的,当考虑到一个图像传感器将光转换成数字图像,最终定义了下面讨论了传感器的性能。图1显示了一个像素和突出了这些概念。
图1所示。图片来源:FLIR系统
光本身固有的噪声首先要理解。光线是由离散的粒子,称为光子,它是由一个光源。欧洲杯猜球平台认为会有噪音强度的光作为光源产生光子随机时间。
光的物理状态噪声观测到的光的强度相当于√光源产生的光子的数量。这种类型的噪声称为散粒噪声。
值得考虑到光子被一个像素的数量将取决于光线强度和曝光时间。本文将观察光子的数量作为一个组合的光强度和曝光时间。
以同样的方式,因为它必须是平方建立光敏感的区域,像素大小有一个非线性影响传感器的光收集能力。将光子转换成电子数字化的第一步是光。
本文并没有解释传感器如何做到这一点,但它展示了转换的效率。
量子效率(QE)的比例是电子生成的数字化过程中光子。3电子生产六光子“秋天”传感器时,传感器的例子在图1中有50%的量化宽松政策。
电子存储在像素在数字化。这就是所谓的。电子的数量,可以存储在称为井深或饱和容量。额外的电子不会存储如果收到更多的电子饱和容量。
一旦像素光收集完成,电荷的测量是测量,这是被称为信号。图1中的测量信号是由一个箭头表示指标。与这相关的误差测量被称为阅读噪音或颞暗噪声。
最后,建立灰度转换信号值,表示在电子,变成一个16位模拟数字单位(ADU)像素值。模拟信号值之间的比例数字灰度值是衡量电子/ ADU和被称为收益。
获得的模拟到数字的转换过程不应混淆EMVA1288增益参数所定义的标准。当评估一个相机的性能,它是极其常见的引用动态范围和信号噪声比。
这两个相机性能的措施都考虑噪音的比率被摄像机信号。信号噪声比包括均方根(RMS)求和的散粒噪声以及颞暗噪声、动态范围时只考虑颞暗噪声。
所需要的光子数得到信号与噪声传感器观察到被称为绝对灵敏度阈值。因为它代表了理论最小所需的光观察任何有意义的信号,这是一个重要的指标。
FLIR创建了一个产业界首次全面研究成像性能超过70的相机模型来帮助比较基于EMVA1288标准传感器和摄像机。
表1。来源:FLIR系统
| 测量 |
定义 |
受 |
单位 |
| 散粒噪声 |
√信号 |
引起的光的性质 |
e - |
| 像素大小 |
嗯,像素大小… |
传感器设计 |
µm |
| 量子效率 |
比例的光子转换成电子
在一个特定的波长 |
传感器设计 |
% |
时间
黑暗的噪音
(噪音) |
当没有信号噪声的传感器 |
传感器和摄像头设计 |
e - |
饱和容量
(深度) |
一个像素的电荷量所能容纳的量 |
传感器和摄像头设计 |
e - |
最大信号
噪比 |
尽可能高的信号比所有信号的噪声中,包括散粒噪声和颞暗噪声。 |
传感器和摄像头设计 |
dB,位 |
| 动态范围 |
信号噪声比只包括颞暗噪声 |
传感器和摄像头设计 |
dB,位 |
绝对灵敏度
阈值 |
信号所需的光子数量
等于噪音 |
传感器和摄像头设计 |
Ƴ |
| 获得 |
参数表示多大的改变
电子需要观察的变化
16位adu(即灰度) |
传感器和摄像头设计 |
e - /
ADU |
比较低光相机的性能
应用光学字符识别(OCR)和车牌识别(LPR),通常使用单色成像,和相机的光量,可以收集可能是有限的由于短曝光时间,将在本文中被认为是。
建立分辨率、帧率和视野需要解决一个成像问题十分简单,但是决定如果相机将有足够的成像性能可以更具挑战性。
这一挑战通常是通过反复试验来解决。在一个例子,一个视觉系统设计师建立一个VGA摄像头¼”CCD应用程序中运行30 FPS是充分的,最初的测试可能表明,相机在曝光时间有足够的灵敏度仍10 ms的对象。
图2。结果从一个1/4”和1/2”CCD相机在不同的曝光时间。图片来源:FLIR系统
图2演示了一个简单的例子与字符B, 8 D和0可以容易混淆的一个视觉算法。左上角图片¼“CCD摄像机拍摄的图像生成合适的适合图像处理。
然而,曝光时间必须减少当对象开始移动相机不能提供有用的信息。这是因为数字“8”和“0”不能区别字母“B”和“D”。
图像质量的恶化中间的图片所示,图2的左下角。图片不适合图像处理生产,特别是¼”CCD曝光时间女士为2.5。
对于这个示例,假设是,一个不需要大景深镜头的最小焦距比数是可以接受的,这意味着它是不可能去收集更多的光通过打开快门的镜头。
设计师必须考虑不同的相机。问题在于,不同的相机可以提高系统的性能。½”传感器可以是一个不错的选择利用更大的传感器通常被接受的一个好方法解决低光性能问题。
表2。来源:FLIR系统
| 相机 |
传感器 |
像素大小(μm) |
量子效率
(%) |
颞暗噪声
(e) |
饱和容量
(e) |
1/4 "照相机
(FL3-GE-03S1M-C) |
ICX618 |
5.6 |
70年 |
11.73 |
14508年 |
1/2 "照相机
(BFLY-PGE-03S3M-C) |
ICX414 |
9.9 |
39 |
19.43 |
25949年 |
考虑到1288年EMVA成像相机的性能可以是有用的,而不是继续尝试和错误。当检查EMVA 1288年的数据,可以看出,¼”传感器噪声和更好的量子效率较低,但½“CCD饱和更大容量和更大的像素。
本文阐述了如何建立½”相机是否会表现的更好。通过绘制信号值与光密度(光子/µm2图3)可以比较的相机。建立了信号光密度的函数,利用以下公式:
信号= x光密度(像素大小)2x量子效率
一个重要的假设是由本文是镜头焦距比数相同,相同的视野,和相同的相机设置。
图3。信号由1/4”和1/2”CCD相机作为光级的函数。图片来源:FLIR系统
图表明½”传感器将产生更高的信号相同的光密度。也可以看到,饱和发生在类似的光密度700光子/µm水平2,但½”传感器产能明显高于饱和。
在应用程序中,被认为是在这个例子中,相机必须执行的比较在低光照水平,这意味着,考虑到噪音变得尤为重要。
图4。信号和噪声的1/4”和1/2”CCD相机在低光照水平。图片来源:FLIR系统
噪声和信号在低照明水平在图4所示。图中给出的噪声的均方根求和颞暗噪声和散粒噪声是利用以下公式计算:
图表表明,信号的光级等于噪音,称为绝对灵敏度阈值,达到由½“传感器水平略低于¼的传感器。信号噪声比(信噪比)是重要的测量需要建立相机将在低光应用程序执行得更好。
图5。信号噪声的定量1/4”和1/2”CCD相机在低光照水平。图片来源:FLIR系统
两个摄像头的信噪比作为照明水平的函数如图5所示。基于信噪比越高的½”传感器,理论表明,½”相机应该执行比¼”相机在低光照水平。
它可以观察到的图像如图2所示,在2.5毫秒曝光时间,½的“传感器保留字符的形状曝光,而¼”传感器很难区分字符。½”因此,传感器性能更好,和实际结果与理论。
FLIR已经进行了大量的研究,相机和发表了1288年EMVA成像性能结果。这些信息是有用的比较不同的摄像机模型的性能。
这项研究时通常可以有用比较任何两个摄像头传感器覆盖文档中即使相机实现成像性能的影响。
应该考虑,本文中描述的技术是有用的一般了解相机相比将执行到另一个。这种技术可以帮助排除相机不太可能提高性能要求,但最终测试相机的性能在实际的应用程序。
比较传统的与现代的CMOS传感器CCD
传统的CCD传感器的性能相比,现代CMOS传感器与广泛的场景照明条件和低光成像条件。
之前与索尼ICX414证明了一个相机,一个½“VGA CCD,即使在弱光条件下比索尼的相机ICX618,¼”VGA CCD。接下来,½“VGA CCD将较新的索尼Pregius IMX249, 1/1.2“2.3 mpix全球快门CMOS传感器。
摄像机与这两个传感器的成本可比在大约€400,VGA地区的兴趣CMOS相机实际上是接近的光学大小¼“镜头和帧速率在VGA分辨率也类似。
EMVA 1288相机数据建立IMX249 CMOS传感器的低噪音,更好的量子效率,和更高的饱和能力但ICX414 CCD传感器有较大的像素,这是关键参数。
表3。来源:FLIR系统
| 相机 |
传感器 |
像素大小(μm) |
量子效率
(%) |
颞暗噪声
(e) |
饱和容量
(e) |
1/2 " CCD相机
(BFLY-PGE-03S3M-C) |
ICX414 |
9.9 |
39 |
19.43 |
25949年 |
1/1.2“CMOS摄像头
(BFLY-PGE-23S6M-C) |
IMX249 |
5.86 |
80年 |
7.11 |
33105年 |
图6。信号噪声比的ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器在低光照水平。图片来源:FLIR系统
图7。结果从ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器在不同的曝光时间。图片来源:FLIR系统
第一个结论是,生成的图像ICX414 CCD传感器会比生成的图像IMX249 CMOS传感器。如果这是不明显的图,这是值得考虑的,图像会产生大约700光子/µm2。
图8。ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器产生的信号光的函数。图片来源:FLIR系统
图像应该在灰度级别最高,最有可能的饱和ICX414 CCD传感器,而IMX249 CMOS传感器会产生一个图像,刚刚超过50%的最大亮度。
作为一个天真的相机敏感度评估方法是通过观察图像的亮度,这种观察是重要的。假设是一个光明的图像将会由一个摄像头有更好的性能。
然而,这是不正确的,它实际上是在这个例子相反的相机生产较暗的图像有更好的性能。第二步是IMX249 CMOS传感器将生成的图像是很有用的图像处理在更大范围内的照明条件。
图9。结果ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器在困难的照明条件。图片来源:FLIR系统
同一场景成像的两个摄像头如图9所示。底层数据没有修改,但是应该注意的是,深色的部分图像进行了增强显示的目的。
从图片可以看出,ICX414 CCD饱和明亮区域的现场,同时,黑暗的地区有太多的声音要清晰的字符。另一方面,IMX249 CMOS传感器产生清晰的字符在明亮和黑暗的部分场景。
它可以得出结论,在机器视觉应用中,最近的全球快门CMOS技术对ccd正成为一个可行的选择。
传感器有更高的帧速率等效决议,不太昂贵的和没有工件如涂片和盛开的,他们也开始超过ccd的成像性能。
结论
在本文中,使用的关键概念论证评估相机性能。的EMVA1288标准介绍了结果是应用于相机在各种照明条件下的性能进行比较。
评估摄像机时,仍有许多方面的相机性能,可以考虑。例如,量子效率在不同波长的使用急剧改变,所以当光源在近红外(NIR)频率,一个相机,执行在525海里可能不执行近。
长时间曝光,这是常见的荧光和天文成像,必须考虑暗电流的影响,噪声的一种,在极低光照水平至关重要。
这些信息已经采购,审核并改编自FLIR系统提供的材料。欧洲杯足球竞彩
在这个来源的更多信息,请访问FLIR系统。