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關(guān)于圖像傳感器的圖像質(zhì)量——要糾正的幾個(gè)誤區(qū)

作者： 安森美智能感知事業(yè)部Geoff Ballew

當(dāng)前我們對(duì)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(yīng)用在汽車上，幫助我們避免碰撞；應(yīng)用于建筑監(jiān)控，防止非法入侵；應(yīng)用于生產(chǎn)線，檢查產(chǎn)品的質(zhì)量。有趣的是，人們經(jīng)常按照像素大小和解析度等非常簡單的指標(biāo)，對(duì)圖像傳感器進(jìn)行分類，但為不同應(yīng)用選擇合適的傳感器要比這復(fù)雜得多。

分辨率

我們依賴于傳感器來探測危險(xiǎn)，或檢測產(chǎn)品中的缺陷，因而傳感器的圖像質(zhì)量至關(guān)重要。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和最終用戶通常認(rèn)為，更高的分辨率（即圖像中的像素更多）可以增強(qiáng)圖像質(zhì)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(xì)細(xì)節(jié)，有助于進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，但也有其他一些因素需要考慮。更高的分辨率會(huì)對(duì)一些關(guān)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(huì)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(chǔ)空間和處理能力。如果必須達(dá)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(jī)尺寸，以達(dá)到成本和尺寸目標(biāo)，同時(shí)增強(qiáng)圖像質(zhì)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(duì)成本和系統(tǒng)性能的影響。每當(dāng)新項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，首先應(yīng)進(jìn)行全面的需求分析，需要考慮產(chǎn)品的最終用途、核心參數(shù)及各種約束條件，例如鏡頭和機(jī)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(yīng)用需求，不會(huì)因過早依據(jù)分辨率而縮小選擇面。 

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

圖 2：使用 1/1.8 英寸 830 萬像素 2.1 µm 超級(jí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。這種妥協(xié)會(huì)降低圖像質(zhì)量，因?yàn)閬碜噪娫唇M件的電噪聲可能導(dǎo)致各種圖像缺陷，可能是某些細(xì)微的缺陷，也可能是每個(gè)觀看者都會(huì)注意到的明顯缺陷，但他們可能并不知道缺陷的起因。

實(shí)質(zhì)上，圖像傳感器就是光子計(jì)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(dǎo)致最終的圖像輸出存在缺陷。雖然傳感器的設(shè)計(jì)允許電源電壓在容差范圍內(nèi)波動(dòng)，但一旦出現(xiàn)超出這個(gè)范圍的偏差，就會(huì)影響圖像質(zhì)量。因此，供電的質(zhì)量是攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)至關(guān)重要的因素。

噪聲源

器件在測量光照時(shí)不出現(xiàn)任何誤差或偏差只存在于理想情況中；在現(xiàn)實(shí)中，傳感器芯片中的電路會(huì)遇到不同的噪聲源，影響每個(gè)像素的信號(hào)電平，進(jìn)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(hào)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(shí)，會(huì)出現(xiàn) DSNU 噪聲源：由于場景是完全黑暗的，理應(yīng)完全沒有信號(hào)，但有些電子會(huì)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(gè)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(shí)，讓整個(gè)圖像都變得暗一點(diǎn)。但如果這種噪聲在像素陣列上不是均勻分布的，就會(huì)出現(xiàn)問題，因而 DSNU 是衡量像素陣列差異大小的指標(biāo)，而隨著傳感器溫度升高，這個(gè)問題會(huì)變得更嚴(yán)重。由于會(huì)受溫度影響，傳感器可能在有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試結(jié)果良好，但在炎熱環(huán)境下，表現(xiàn)得不盡如人意。炎熱的夜間環(huán)境對(duì)控制 DSNU 帶來了極大的挑戰(zhàn)，由于沒有太多的有效信號(hào)，這種噪聲源將變得更加明顯。為了解決這個(gè)問題，應(yīng)在系統(tǒng)常規(guī)工作的溫度范圍內(nèi)和不同光照條件下，對(duì)任何傳感器進(jìn)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(shí)，可能遇到意外情況。

信噪比 (SNR)

信噪比的英文縮寫為 SNR，定義為信號(hào)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(duì)圖像的影響會(huì)小得多。這就好比餐館賬單上的錯(cuò)誤。如果您只點(diǎn)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(dá)到幾百美元，您可能不會(huì)注意到多出的 費(fèi)用，因?yàn)樗伎偨痤~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(hào)來自數(shù)千個(gè)光子，就算多幾個(gè)光子，您可能也不會(huì)注意到多出的信號(hào)。

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(zhuǎn)換的過渡區(qū)域，仍然存在一些設(shè)計(jì)限制。要在不引入技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下解釋清楚這一點(diǎn)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(huì)帶有一個(gè)針對(duì)低速優(yōu)化的齒輪和一個(gè)針對(duì)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(zhuǎn)換則不會(huì)太舒適，在騎行的某些路段，您會(huì)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(dāng)作圖像傳感器的主要指標(biāo)，特意選擇信噪比良好區(qū)域的性能統(tǒng)計(jì)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(zhì)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(gè)檔位的平均值，但從低速到中速、從中速到高速的轉(zhuǎn)換存在很大的空白，現(xiàn)有的 3 個(gè)齒輪都不是理想的選擇。設(shè)計(jì)人員必須知道這一點(diǎn)，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(duì)傳感器進(jìn)行測試，并且測量整個(gè)范圍內(nèi)的信噪比，看看您是否會(huì)受到“自行車缺少齒輪”的影響。

簡而言之，如果圖像質(zhì)量對(duì)于您的圖像傳感器應(yīng)用至關(guān)重要，您必須避開一些潛在的陷阱。對(duì)分辨率和噪聲影響所做的假設(shè)必須通過測試加以驗(yàn)證，從而確保在最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不出意外。