图4显示,1/2''传感器比1/4''传感器在略微低的光密度下达到了绝对灵敏度阈值。要进一步确定哪款相机在低光应用中具有更好的表现,还需要进行一项更重要的测量便是信噪比(SNR)。
图5显示了两款相机的SNR与光密度之间的函数关系。
图5:低光水平下1/4''和1/2''CCD相机的信噪比。
Signal noise ratio(linear scale)——信噪比(线性)
Light density——光密度(光子数/µm2)
1/2'' Camera signal to noise——1/2''相机的信噪比
1/4'' Camera signal to noise——1/4''相机的信噪比
鉴于1/2''传感器在低光水平下具有更高的信噪比,因此理论上认为1/2''相机应该比1/4''相机在低光水平下具有更好的表现。
从图2中的图像可以看出,在2.5 ms的曝光时间内,1/2''传感器在所有曝光时间内捕捉到了字符的形状;而1/4''传感器在该曝光时间内所拍摄到的字符却难以区分。因此1/2''传感器具有更好的表现,并且实际结果与理论相符。
Point Grey已经做了广泛的相机研究工作,并且已经出版了EMVA 1288成像性能结果。该信息可用于比较不同相机型号的性能。相机的实施确实会影响成像性能,在比较两款文档中包括传感器的相机时,这项研究通常会非常有用。
应当指出的是,在总体了解一台相机将比另一台相机如何有更好的表现时,本白皮书中所概述的方法是非常有用的。这种方法可以帮助排除那些不大可能提高所需性能的相机;然而,相机性能的最终测试将在实际应用中进行。
传统CCD传感器和现代CMOS传感器的对比
现在,我们将在低光成像条件下和具有广泛照明条件的场景下,比较传统CCD传感器和现代CMOS传感器的性能。
上文中已经显示,采用Sony ICX414 1/2'' VGA CCD的相机,在低光条件下比采用Sony ICX618 1/4'' VGA CCD的相机具有更好的表现。现在,我们将1/2'' VGA CCD与最新的Sony Pregius IMX249 1/1.2'' 230万像素全局快门CMOS传感器相比较。
采用这两款传感器的相机成本相当,大约为400欧元;CMOS相机中的VGA感兴趣区域,实际上接近于1/4''相机的光学尺寸;在VGA分辨率下,两款相机的帧率也类似。
相机的EMVA 1288数据显示,IMX249 CMOS传感器明显具有更好的量子效率、更低的噪声和更高的饱和容量。另一方面,ICX414 CCD传感器具有更大的像素,这是在上文提及的例子中的关键参数。
相机
传感器
像素尺寸(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
25,949
1/1.2" CMOS 相机(BFLY-PGE-23S6M-C)
IMX249
5.86
80
7.11
33,105
图6:在低光条件下,ICX414 CCD传感器和IMX249 CMOS传感器的信噪比。
IMX249 CMOS sensor……——IMX249 CMOS传感器将在更低的光密度下达到绝对灵敏度阈值
Signal noise ratio(linear scale)——信噪比(线性)
Light density——光密度(光子数/µm2)
图7:在不同的曝光时间下,从ICX414 CCD传感器和IMX249 CMOS传感器所获得的拍摄结果。
At 2.5 ms shutter——曝光时间2.5 ms
At 1 ms shutter——曝光时间1 ms
由于这两款传感器的饱和容量之间存在差异,因此更高的光强度下的比较更为有趣。图8显示了在整个光强范围内,信号都是光强的函数。从图8中可以观察到,ICX414 CCD传感器在光密度约为700个光子/µm2时达到饱和容量;而IMX249 CMOS传感器则在光密度超过1200个光子/µm2后才达到饱和。
图8:ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器产生的信号是光密度的一个函数。
Signal——信号值
Light density——光密度(光子数/µm2)
Saturation capacity——饱和容量
可以得出的第一个结论是,ICX414 CCD传感器产生的图像,比IMX249 CMOS传感器产生的图像更亮。如果这一点不能从图中明显地观察到,可以想象一下,图像大约是在700个光子/µm2的光密度下产生的。在采用ICX414 CCD传感器的情况下,图像应该在最高灰度级,很可能是饱和的;而IMX249 CMOS传感器产生的图像,其亮度刚好超过其最大亮度的50%。这个结论非常有意义,因为评估相机灵敏度的一种简易方法便是观察图像的亮度。换句话说,这种简易方法假设图像的亮度越高,拍摄相机的性能越好。然而,这一观点并不正确,在上面这个例子中,结论实际上恰恰相反:产生较暗图像的相机,实际上具有更好的性能。
图9:在光线不佳的条件下,ICX414 CCD和IMX249 CMOS传感器所产生的图像效果。
第二个结论是,IMX249 CMOS传感器能在广泛的照明条件下,产生更适合用于进一步处理的图像。图9中显示了两款相机对相同场景的成像结果。应当指出的是,图像的更暗部分已经为显示目的进行了增强,但并未修改基础数据。从图9中可以看到,ICX414 CCD在场景的亮区达到饱和,同时在暗区存在大量噪声,使得字符无法清晰可辨。相比之下,IMX249 CMOS传感器在场景的亮区和暗区都产生了清晰可见的字符。
最后,我们可以得出结论:在机器视觉应用中,最新的全局快门CMOS技术正在成为CCD技术的一种可行替代选择。相比于CCD传感器,CMOS传感器不仅价格更便宜、帧率更高、分辨率相当、并且没有图像拖尾和光晕,而且在成像性能方面,CMOS传感器正在开始超越CCD。
结论
在本白皮书中,我们了解到了在评估相机性能时所使用的几个关键概念,介绍了EMVA1288标准、并将结果应用于各种照明条件下的相机性能比较。在评估相机性能时,还有很多方面需要考虑。例如,光源处于不同波段,量子效率会随之急剧变化,因此一台在525nm光源条件下表现良好的相机,当光源转到近红外(NIR)波段时,并不一定能有同样良好的性能表现。类似地,荧光成像和天文成像中常常使用长曝光时间,这种情况下需要考虑暗电流,在低光照明条件下,这是一种具有重要影响的类型噪声。
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