關于圖像傳感器圖像質量的四大誤區！你踩過幾個坑？

本文作者：Geoff Ballew，來源：安森美

當前我們對圖像傳感器的依賴程度超出了大多數人的想象。圖像傳感器應用在汽車上，幫助我們避免碰撞；應用于建筑監控，防止非法入侵；應用于生產線，檢查產品的質量。有趣的是，人們經常按照像素大小和分辨率等非常簡單的指標，對圖像傳感器進行分類，但為不同應用選擇合適的傳感器要比這復雜得多。

分辨率

我們依賴傳感器來探測危險，或檢測產品中的缺陷，因而傳感器的圖像質量至關重要。系統設計人員和最終用戶通常認為，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。更高的分辨率會對一些關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，同時增強圖像質量。

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。每當新項目啟動時，首先應進行全面的需求分析，需要考慮產品的最終用途、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，不會因過早依據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，例如電源的設計。這種妥協會降低圖像質量，因為來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，也可能是每個觀看者都會注意到的明顯缺陷，但他們可能并不知道缺陷的起因。

實質上，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，但一旦出現超出這個范圍的偏差，就會影響圖像質量。因此，供電的質量是攝像系統設計中的一個至關重要的因素。

噪聲源

器件在測量光照時不出現任何誤差或偏差只存在于理想情況中；在現實中，傳感器芯片中的電路會遇到不同的噪聲源，影響每個像素的信號電平，進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非均勻性 (DSNU) 的噪聲源帶來了更大的挑戰。

在完全黑暗的條件下拍攝圖像時，會出現 DSNU 噪聲源：由于場景是完全黑暗的，理應完全沒有信號，但有些電子會出現異常行為，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，讓整個圖像都變得暗一點。但如果這種噪聲在像素陣列上不是均勻分布的，就會出現問題，因而 DSNU 是衡量像素陣列差異大小的指標，而隨著傳感器溫度升高，這個問題會變得更嚴重。

由于會受溫度影響，傳感器可能在有空調的實驗室內測試結果良好，但在戶外的炎熱環境下，表現得不盡如人意。炎熱的夜間環境對控制 DSNU 帶來了極大的挑戰，由于沒有太多的有效信號，這種噪聲源將變得更加明顯。為了解決這個問題，應在系統常規工作的溫度范圍內和不同光照條件下，對任何傳感器進行測量。如果僅根據室溫環境中的測試來選擇圖像傳感器，則在溫度升高時，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，則噪聲對圖像的影響會小得多。這就好比餐館賬單上的錯誤。如果您只點了一杯咖啡，多 3 美元就很容易發現，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，如果信號來自數千個光子，就算多幾個光子，您可能也不會注意到多出的信號。

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渡區域，仍然存在一些設計限制。要在不引入技術細節的情況下解釋清楚這一點不太容易，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，它會帶有一個針對低速優化的齒輪和一個針對最高速優化的齒輪，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、從中速到高速的轉換則不會太舒適，在騎行的某些路段，您會發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據用到10速自行車上。中速齒輪約為所有3個檔位的平均值，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個齒輪都不是理想的選擇。設計人員必須知道這一點，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，對傳感器進行測試，并且測量整個范圍內的信噪比，看看您是否會受到“自行車缺少齒輪”的影響。

簡而言之，如果圖像質量對于您的圖像傳感器應用至關重要，您必須避開一些潛在的陷阱。對分辨率和噪聲影響所做的假設必須通過測試加以驗證，從而確保在最終系統設計中不出意外。

審核編輯 黃宇