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科学相机灵敏度标准探讨出新知

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2015-08-06
专业研讨

科学相机灵敏度标准探讨出新知

——鑫图提出使用时间相关性表观像素灵敏度

  2015年7月,《机器视觉》杂志使用大量的篇幅刊登了我司总经理陈兵先生、产品经理庄阿伟撰写的《图像传感器像素灵敏度理论与实验测试》一文,文中简要介绍了欧洲机器视觉协会EMVA1288所提出的关于相机灵敏度以及信噪比表征方式的优缺点,并详细阐述与讨论了时间相关性表观像素灵敏度(信噪比)的理论原理,表明其作为灵敏度判定标准的优越性。

 

 

下面就由我们来一起了解,当初钻研这项课题并创作这篇论文的始源。

 

陈:小庄,你觉得在机器视觉领域,对一台科学相机最重要的是什么?

 

庄:一般来说,灵敏度、分辨率、图像传输速度是决定相机品质的重要三个方面。但是对以生物医学、单分子荧光、天文星体等微光探测为主要任务的科学相机而言,灵敏度显得尤为重要。

 

陈:灵敏度对科学相机来说,确实至关重要。关于目前业内判断科学相机灵敏度的标准,说说你的看法?

 

庄:目前业内普遍采用欧洲机器视觉协会EMVA1288所提出的灵敏度表征方法,一般有3种方式,但各有优缺点。

  (1)绝对灵敏度阈值:优点是能够表明整个像素对光子数的响应临界值,缺点是只反映了读出噪声与量子效率信息,而忽略了像素的其它性质;

  (2)像素总光子数-信噪比曲线:相比绝对灵敏度阈值,该方法包含了更多的像素特性,但显著缺点为未考虑像元的面积大小、曝光时间以及暗电流等信息。在实际中,尽管有的相机在某个光子数下信噪比更高,但可能由于面积太小反而需要更多的时间去获得较高的信噪比。此外,CMOS图像传感器的暗电流噪声较CCD图像传感器高出很多,尤其在长时间曝光成像当中,暗电流往往是信噪比的决定因素;

  (3)每平方微米光子数-信噪比曲线:这是以光照条件为基准描述信噪比的方法,它可知在同一个光照条件下,不同相机信噪比,但是仍然忽略了暗电流的时间相关性。

 

陈:没错,EMVA1288表征灵敏度方法是存在缺陷,它忽略了时间相关性的暗电流噪声等因素,也许我们可以从这里入手,寻找更为适用的方法。

 

庄:这确实是个好提议。EMVA1288中表征像素灵敏度方法中忽略的时间相关性的暗电流噪声等参数,其实都是应该考虑到信噪比的评价当中。另一方面,对用户而言,采用相机进行成像时判定其灵敏度的第一观感应该是:用最短的时间获得最高图像质量的相机的灵敏度最高。从这方面来讲,时间也是灵敏度判断的更为表观的标准。也许,我们可以尝试使用时间相关性来表征像素灵敏度,通过研究与论证来判断是否更适用于相机比较与使用者判定灵敏度,特别是CMOS相机的灵敏度。

 

  经过精密计算,仔细研究,小心论证之后……

 

陈:时间相关性表征像素灵敏度概念终于成形了,是否能达到预期的研究目标?

 

庄:我们现在以横坐标为时间,纵坐标为SNR的信噪比的表征方式,称为时间相关性像素灵敏度性噪比曲线,它的优点主要有:

  第一、横坐标不包含除时间外的任何参数,其关于一个像素的所有特征,包括量子效率、读出噪声、像元面积、时间相关性暗电流噪声、binning程度以及接收的单位时间单位面积的光子数均直接参与在SNR的计算公式中,未被忽视或者隐藏,可综合反映一个像素的整体灵敏度与信噪比特征;

  第二、时间相关性表达方式只判定相机在同一个环境中不同时间下的信噪比性能,符合使用者实际的使用特性,更能体现其应用特征与性能对比。 基于这些优点,该灵敏度表达方式能达到我们预期的研究目标,它可以作为一个科学相机或者机器视觉的标准提供给购买者以及不同的相机生产厂家作为对比使用。(当然,对于具有binning功能的CCD、EMCCD、CMOS以及sCMOS,其计算公式需要进行相应的修改,在《图像传感器像素灵敏度理论与实验测试》一文中有非常具体的说明)。

 

陈:现在,时间相关性像素表观灵敏度的测试方法有几种?

 

庄:一般可以使用两种方式:

  (1)直接测量信噪比数值再进行曲线拟合;通过该方法可直接获得相机在某条件(辐照度,曝光时间)下的信噪比。改变曝光时间,获得更多的信噪比数据进行曲线拟合即可得到信噪比曲线;

  (2)计算描绘SNR曲线所需要的相机的各个基本性能参数后再作出曲线,这些基本参数包括辐照度与量子效率、读出噪声、暗电流、FPN。

 

陈:EMVA1288主要是基于CCD相机的测试标准,除表征灵敏度方法有缺陷外,你认为是否还适用于CMOS相机测试标准?

 

庄:其实,EMVA 1288关于FPN计算方法是不准确的。

  FPN主要有两种类型:像素间固定图形噪声(pixels FPN, pFPN)以及列固定图形噪声(columns FPN, cFPN)。pFPN普遍存在于CCD、CMOS中的。而pFPN,典型地存在于像素结构为一列像素对应一个(或多个)放大器类型的CMOS以及科学级CMOS图像传感器中,表示列与列像元间的不均匀性(cFPN)。这种不均匀噪声的值在某些相机中相对较大,不可忽略。而EMVA 1288所计算的方式是将所有的固定图形噪声均认为是pFPN。这样会导致完全随机分布的不均匀性以及列状有规律分布的不均匀性可能具有相同的FPN值,但实际的图像效果会有很大差别(见下图)。因此,我认为EMVA 1288目前已不适用于CMOS相机的测试。

 

 

    鑫图建议:业内需要尽快建立起更为完整正确,更适用于CMOS相机的测试标准,并建立权威的验证方法和平台,为用户提供公平、公正的参考数据。

 

    备注:更多信息详见2015年7月《机器视觉》P22-25《图像传感器像素灵敏度理论与实验测试》一文。

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