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科學相機靈敏度標準探討出新知

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2015-08-06
專業研討

科學相機靈敏度標準探討出新知

——鑫圖提出使用時間相關性表觀像素靈敏度

  2015年7月,《機器視覺》雜志使用大量的篇幅刊登了我司總經理陳兵先生、產品經理莊阿偉撰寫的《圖像傳感器像素靈敏度理論與實驗測試》一文,文中簡要介紹了歐洲機器視覺協會EMVA1288所提出的關于相機靈敏度以及信噪比表征方式的優缺點,并詳細闡述與討論了時間相關性表觀像素靈敏度(信噪比)的理論原理,表明其作為靈敏度判定標準的優越性。

 

 

下面就由我們來一起了解,當初鉆研這項課題并創作這篇論文的始源。

 

陳:小莊,你覺得在機器視覺領域,對一臺科學相機最重要的是什么?

 

莊:一般來說,靈敏度、分辨率、圖像傳輸速度是決定相機品質的重要三個方面。但是對以生物醫學、單分子熒光、天文星體等微光探測為主要任務的科學相機而言,靈敏度顯得尤為重要。

 

陳:靈敏度對科學相機來說,確實至關重要。關于目前業內判斷科學相機靈敏度的標準,說說你的看法?

 

莊:目前業內普遍采用歐洲機器視覺協會EMVA1288所提出的靈敏度表征方法,一般有3種方式,但各有優缺點。

  (1)絕對靈敏度閾值:優點是能夠表明整個像素對光子數的響應臨界值,缺點是只反映了讀出噪聲與量子效率信息,而忽略了像素的其它性質;

  (2)像素總光子數-信噪比曲線:相比絕對靈敏度閾值,該方法包含了更多的像素特性,但顯著缺點為未考慮像元的面積大小、曝光時間以及暗電流等信息。在實際中,盡管有的相機在某個光子數下信噪比更高,但可能由于面積太小反而需要更多的時間去獲得較高的信噪比。此外,CMOS圖像傳感器的暗電流噪聲較CCD圖像傳感器高出很多,尤其在長時間曝光成像當中,暗電流往往是信噪比的決定因素;

  (3)每平方微米光子數-信噪比曲線:這是以光照條件為基準描述信噪比的方法,它可知在同一個光照條件下,不同相機信噪比,但是仍然忽略了暗電流的時間相關性。

 

陳:沒錯,EMVA1288表征靈敏度方法是存在缺陷,它忽略了時間相關性的暗電流噪聲等因素,也許我們可以從這里入手,尋找更為適用的方法。

 

莊:這確實是個好提議。EMVA1288中表征像素靈敏度方法中忽略的時間相關性的暗電流噪聲等參數,其實都是應該考慮到信噪比的評價當中。另一方面,對用戶而言,采用相機進行成像時判定其靈敏度的第一觀感應該是:用最短的時間獲得最高圖像質量的相機的靈敏度最高。從這方面來講,時間也是靈敏度判斷的更為表觀的標準。也許,我們可以嘗試使用時間相關性來表征像素靈敏度,通過研究與論證來判斷是否更適用于相機比較與使用者判定靈敏度,特別是CMOS相機的靈敏度。

 

  經過精密計算,仔細研究,小心論證之后……

 

陳:時間相關性表征像素靈敏度概念終于成形了,是否能達到預期的研究目標?

 

莊:我們現在以橫坐標為時間,縱坐標為SNR的信噪比的表征方式,稱為時間相關性像素靈敏度性噪比曲線,它的優點主要有:

  第一、橫坐標不包含除時間外的任何參數,其關于一個像素的所有特征,包括量子效率、讀出噪聲、像元面積、時間相關性暗電流噪聲、binning程度以及接收的單位時間單位面積的光子數均直接參與在SNR的計算公式中,未被忽視或者隱藏,可綜合反映一個像素的整體靈敏度與信噪比特征;

  第二、時間相關性表達方式只判定相機在同一個環境中不同時間下的信噪比性能,符合使用者實際的使用特性,更能體現其應用特征與性能對比。 基于這些優點,該靈敏度表達方式能達到我們預期的研究目標,它可以作為一個科學相機或者機器視覺的標準提供給購買者以及不同的相機生產廠家作為對比使用。(當然,對于具有binning功能的CCD、EMCCD、CMOS以及sCMOS,其計算公式需要進行相應的修改,在《圖像傳感器像素靈敏度理論與實驗測試》一文中有非常具體的說明)。

 

陳:現在,時間相關性像素表觀靈敏度的測試方法有幾種?

 

莊:一般可以使用兩種方式:

  (1)直接測量信噪比數值再進行曲線擬合;通過該方法可直接獲得相機在某條件(輻照度,曝光時間)下的信噪比。改變曝光時間,獲得更多的信噪比數據進行曲線擬合即可得到信噪比曲線;

  (2)計算描繪SNR曲線所需要的相機的各個基本性能參數后再作出曲線,這些基本參數包括輻照度與量子效率、讀出噪聲、暗電流、FPN。

 

陳:EMVA1288主要是基于CCD相機的測試標準,除表征靈敏度方法有缺陷外,你認為是否還適用于CMOS相機測試標準?

 

莊:其實,EMVA 1288關于FPN計算方法是不準確的。

  FPN主要有兩種類型:像素間固定圖形噪聲(pixels FPN, pFPN)以及列固定圖形噪聲(columns FPN, cFPN)。pFPN普遍存在于CCD、CMOS中的。而pFPN,典型地存在于像素結構為一列像素對應一個(或多個)放大器類型的CMOS以及科學級CMOS圖像傳感器中,表示列與列像元間的不均勻性(cFPN)。這種不均勻噪聲的值在某些相機中相對較大,不可忽略。而EMVA 1288所計算的方式是將所有的固定圖形噪聲均認為是pFPN。這樣會導致完全隨機分布的不均勻性以及列狀有規律分布的不均勻性可能具有相同的FPN值,但實際的圖像效果會有很大差別(見下圖)。因此,我認為EMVA 1288目前已不適用于CMOS相機的測試。

 

 

    鑫圖建議:業內需要盡快建立起更為完整正確,更適用于CMOS相機的測試標準,并建立權威的驗證方法和平臺,為用戶提供公平、公正的參考數據。

 

    備注:更多信息詳見2015年7月《機器視覺》P22-25《圖像傳感器像素靈敏度理論與實驗測試》一文。

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