圖像傳感器選型中容易踩的坑 2023-02-14
如今，我們比大多數人意識到的更依賴(lài)圖像傳感器。 它們在我們的車(chē)輛中，幫助我們避免碰撞，在建筑物上監視入侵者，在生產(chǎn)線(xiàn)上檢查商品的質(zhì)量。 有趣的是，它們通常按非常簡(jiǎn)單的指標進(jìn)行分類(lèi)，例如像素大小或分辨率，但為特定應用選擇最佳傳感器要復雜得多。
解決方法
圖像質(zhì)量至關(guān)重要，因為我們依靠傳感器來(lái)檢測危險或發(fā)現制成品中的缺陷。 系統設計人員（和最終用戶(hù)）通常認為更高的分辨率（圖像中的更多像素）會(huì )提高圖像質(zhì)量。 然而，并非總是如此。 更高的分辨率確實(shí)會(huì )在圖像中保留更清晰的邊緣和更精細的細節，這有助于物體識別——但還有其他考慮因素。 更高的分辨率會(huì )影響關(guān)鍵參數，包括捕獲速度/幀速率、傳感器尺寸和傳感器功率。 它還會(huì )影響其他系統元素，因為更大的圖像需要更多的帶寬、存儲和處理能力。 在需要更高分辨率的情況下，減小像素尺寸可以保持鏡頭和相機尺寸，以滿(mǎn)足成本和尺寸目標，同時(shí)提高圖像質(zhì)量。
人們經(jīng)常假設他們需要盡可能多的像素，而不考慮他們的決定在成本和系統性能方面的影響。 在新項目開(kāi)始時(shí)，完整的需求分析應該從最終用途和滿(mǎn)足該需求的核心參數開(kāi)始，并受到物理尺寸（鏡頭和相機機身）、功率或其他限制等限制。 與在評估中過(guò)早通過(guò)分辨率限制選擇相比，這種方法將產(chǎn)生更符合您的應用需求的傳感器。
電源
圖像傳感器的性能還高度依賴(lài)于額外的系統組件，這些組件可能并不明顯，因為它們不在光路中，甚至不屬于傳感器設備本身。 因此，設計人員可能會(huì )在電源設計等方面做出妥協(xié)。 這種方法會(huì )降低圖像質(zhì)量，因為電源組件的電噪聲會(huì )導致圖像缺陷，這些缺陷可能從細微到顯而易見(jiàn)，每個(gè)觀(guān)眾都會(huì )注意到，即使他們不知道原因。
本質(zhì)上，圖像傳感器是光子計數器。 在弱光條件下，光子數量較少，因此系統中的任何“噪聲”在圖像中都會(huì )更加明顯。來(lái)自電源的電壓尖峰或電壓瞬變會(huì )導致最終圖像輸出出現缺陷。 雖然傳感器設計用于電源電壓在公差范圍內波動(dòng)，但超出該范圍的任何偏差都可能影響圖像質(zhì)量。因此，供電質(zhì)量是相機系統設計的關(guān)鍵要素。
噪聲源
雖然擁有一個(gè)完美的設備可以無(wú)誤差或無(wú)偏差地測量，但實(shí)際上，傳感器芯片中的電路會(huì )受到不同的噪聲源的影響，這些噪聲源會(huì )影響每個(gè)像素的信號水平，從而影響最終圖像中的像素。 一般來(lái)說(shuō)，現代傳感器可以很好地控制讀取噪聲，但另一種稱(chēng)為暗信號非均勻性 (DSNU) 的噪聲源更具挑戰性。
DSNU是你在完全黑暗中拍攝的圖像所看到的：它是黑暗的，所以根本不應該有信號，但一些電子的行為并不完美，所以它們被認為是由入射光引起的，并且圖像將不是完全黑色的。 如果每個(gè)像素都相同，則可以減去它——就像您可以編輯照片以使整個(gè)圖像稍微暗一些一樣。 當整個(gè)陣列不均勻時(shí)就會(huì )出現問(wèn)題，因此 DSNU 是衡量整個(gè)陣列有多少變化的量度，并且隨著(zhù)傳感器溫度的升高而變得更糟。 由于受溫度影響，傳感器在裝有空調的實(shí)驗室中測試時(shí)可能看起來(lái)不錯，但如果在炎熱的夜晚在室外進(jìn)行測試，則效果不佳。 炎熱、漆黑的夜晚對 DSNU 的管理最具挑戰性，因為有效信號不多，這個(gè)噪聲源會(huì )更明顯。 為解決這個(gè)問(wèn)題，請在您的系統正常使用的溫度和照明條件范圍內測量任何傳感器。
信噪比 (SNR)
SNR信噪比，定義為信號功率與噪聲功率的平均比值。 不管有多少噪聲，如果信噪比非常高，那么噪聲對圖像的影響就不那么明顯了。 把這想象成餐館支票上的錯誤。
如果你只點(diǎn)了一杯咖啡，3 美元的額外費用似乎是一筆不小的數目，但如果你有一大群人并且賬單是數百美元，你可能不會(huì )注意到額外費用，因為它只是一個(gè)很小的百分比 錯誤，即使在這兩種情況下都是 $3。 同樣，如果你有來(lái)自數千個(gè)光子的信號電平，你不太可能注意到一些額外的東西。
回到圖像傳感器，如果您的圖像有亮區和暗區，您會(huì )在某些區域觀(guān)察到更多噪點(diǎn)。 具有諷刺意味的是，這可能不在圖像的黑暗部分，而可能在“中間光線(xiàn)”中。 盡管如此，在低光過(guò)渡到較高亮光的區域中仍暴露出設計限制。 如果不深入了解技術(shù)細節，很難解釋這一點(diǎn)，但類(lèi)比可能就像自行車(chē)上的齒輪。 如果您有一輛 10 速自行車(chē)，您將擁有一個(gè)針對低速優(yōu)化的齒輪，一個(gè)針對最高速度優(yōu)化的齒輪，以及這兩者之間的許多步驟。 現在假設您只有最高檔、中檔和最底檔：您將擁有適合慢速（低光）、中速（中光）或快速（明亮的陽(yáng)光）的齒輪，但是您從低速到中速和中速到高速不會(huì )很舒服，你可能會(huì )發(fā)現你的旅程的某些部分確實(shí)需要這種缺失的齒輪之一。
一些制造商經(jīng)常將平均 SNR 吹捧為圖像傳感器的主要指標，通過(guò)挑選 SNR 良好的區域引用性能統計數據，并暗示這代表了所有照明條件下的整體圖像質(zhì)量。 這類(lèi)似于自行車(chē)制造商在我們的示例中引用 3 速自行車(chē)的平均傳動(dòng)比。 中間檔位大約是所有 3 個(gè)檔位的平均值，但從低檔到中檔和中檔到高檔的過(guò)渡留下了很大的差距。 設計人員必須了解這一點(diǎn)，并超越“平均”SNR 聲明。 解決方案是針對應用所需的照明條件范圍測試傳感器，并測量整個(gè)范圍內的 SNR，試圖發(fā)現您的自行車(chē)是否存在“缺檔”問(wèn)題。
簡(jiǎn)而言之，如果圖像質(zhì)量對您的圖像傳感器應用至關(guān)重要，那么您需要避免一些潛在的陷阱。 關(guān)于分辨率和噪聲影響的假設必須通過(guò)測試進(jìn)行驗證，以確保您的最終系統設計不會(huì )出現意外。
來(lái)源：電子工程世界