【導讀】當前我們對圖像傳感器的依賴(lài)程度超出了大多數人的想象。圖像傳感器應用在汽車(chē)上，幫助我們避免碰撞；應用于建筑監控，防止非法入侵；應用于生產(chǎn)線(xiàn)，檢查產(chǎn)品的質(zhì)量。有趣的是，人們經(jīng)常按照像素大小和分辨率等非常簡(jiǎn)單的指標，對圖像傳感器進(jìn)行分類(lèi)，但為不同應用選擇合適的傳感器要比這復雜得多。
分辨率
我們依賴(lài)傳感器來(lái)探測危險，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。系統設計人員和最終用戶(hù)通常認為，更高的分辨率（即圖像中的像素更多）可以增強圖像質(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細節，有助于進(jìn)行目標識別，但也有其他一些因素需要考慮。更高的分辨率會(huì )對一些關(guān)鍵參數造成不利影響，比如捕獲速度/幀率、傳感器尺寸和傳感器功耗。它還會(huì )影響其他一些系統因素，例如更大的圖像需要更高的帶寬、存儲空間和處理能力。如果必須達到更高的分辨率，那么減小像素大小可以維持鏡頭和攝像機尺寸，以達到成本和尺寸目標，同時(shí)增強圖像質(zhì)量。
人們常以為需要增加盡可能多的像素，而不考慮這決策對成本和系統性能的影響。每當新項目啟動(dòng)時(shí)，首先應進(jìn)行全面的需求分析，需要考慮產(chǎn)品的最終用途、核心參數及各種約束條件，例如鏡頭和機身的物理尺寸、功率等限制因素。這樣可以確保傳感器更符合您的應用需求，不會(huì )因過(guò)早依據分辨率而縮小選擇面。
圖 1. 使用 1/1.5 英寸 540 萬(wàn)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(wàn)像素 2.1 μm 超級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。而設計人員可能就在這些不太起眼的方面做出了妥協(xié)，例如電源的設計。這種妥協(xié)會(huì )降低圖像質(zhì)量，因為來(lái)自電源組件的電噪聲可能導致各種圖像缺陷，可能是某些細微的缺陷，也可能是每個(gè)觀(guān)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數器。在微光條件下，光子數量較低，因而系統中的任何“噪聲”在圖像中表現得更為明顯。來(lái)自電源的電壓尖峰或電壓瞬變可能導致最終的圖像輸出存在缺陷。雖然傳感器的設計允許電源電壓在容差范圍內波動(dòng)，但一旦出現超出這個(gè)范圍的偏差，就會(huì )影響圖像質(zhì)量。因此，供電的質(zhì)量是攝像系統設計中的一個(gè)至關(guān)重要的因素。
噪聲源
器件在測量光照時(shí)不出現任何誤差或偏差只存在于理想情況中；在現實(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)像素的信號電平，進(jìn)而影響最終圖像中的像素。一般來(lái)說(shuō)，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非均勻性 (DSNU) 的噪聲源帶來(lái)了更大的挑戰。
在完全黑暗的條件下拍攝圖像時(shí)，會(huì )出現 DSNU 噪聲源：由于場(chǎng)景是完全黑暗的，理應完全沒(méi)有信號，但有些電子會(huì )出現異常行為，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 )出現問(wèn)題，因而 DSNU 是衡量像素陣列差異大小的指標，而隨著(zhù)傳感器溫度升高，這個(gè)問(wèn)題會(huì )變得更嚴重。
由于會(huì )受溫度影響，傳感器可能在有空調的實(shí)驗室內測試結果良好，但在戶(hù)外的炎熱環(huán)境下，表現得不盡如人意。炎熱的夜間環(huán)境對控制 DSNU 帶來(lái)了極大的挑戰，由于沒(méi)有太多的有效信號，這種噪聲源將變得更加明顯。為了解決這個(gè)問(wèn)題，應在系統常規工作的溫度范圍內和不同光照條件下，對任何傳感器進(jìn)行測量。如果僅根據室溫環(huán)境中的測試來(lái)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(xiě)為 SNR，定義為信號功率與噪聲功率的平均比率。無(wú)論噪聲多大，如果信噪比非常高，則噪聲對圖像的影響會(huì )小得多。這就好比餐館賬單上的錯誤。如果您只點(diǎn)了一杯咖啡，多 3 美元就很容易發(fā)現，但如果是一大群人用餐，賬單金額達到幾百美元，您可能不會(huì )注意到多出的費用，因為它占總金額的百分比非常小，即使在兩種情況下都是 3 美元。同樣，如果信號來(lái)自數千個(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。
再回到圖像傳感器，如果您的圖像包含亮光區域和暗光區域，您將在某些區域發(fā)現更多噪聲。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”區域。在低光向亮光轉換的過(guò)渡區域，仍然存在一些設計限制。要在不引入技術(shù)細節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(chē)上的齒輪以便理解。如果您有一輛10速自行車(chē)，它會(huì )帶有一個(gè)針對低速優(yōu)化的齒輪和一個(gè)針對最高速優(yōu)化的齒輪，兩者之間還有很多檔位。假定自行車(chē)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、從中速到高速的轉換則不會(huì )太舒適，在騎行的某些路段，您會(huì )發(fā)現這些缺少的齒輪很重要。
有些制造商常將平均信噪比當作圖像傳感器的主要指標，特意選擇信噪比良好區域的性能統計數據，暗示這些數據代表了所有光照條件下的整體圖像質(zhì)量。這就類(lèi)似于上述示例中的自行車(chē)制造商將 3 速自行車(chē)的平均齒輪比數據用到10速自行車(chē)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、從中速到高速的轉換存在很大的空白，現有的3個(gè)齒輪都不是理想的選擇。設計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，對傳感器進(jìn)行測試，并且測量整個(gè)范圍內的信噪比，看看您是否會(huì )受到“自行車(chē)缺少齒輪”的影響。
簡(jiǎn)而言之，如果圖像質(zhì)量對于您的圖像傳感器應用至關(guān)重要，您必須避開(kāi)一些潛在的陷阱。對分辨率和噪聲影響所做的假設必須通過(guò)測試加以驗證，從而確保在最終系統設計中不出意外。
來(lái)源：安森美，Geoff Ballew
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