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圖像傳感器。 它們在我們的車輛中，幫助我們避免碰撞，在建筑物上監視入侵者，在生產線上檢查商品的質量。 有趣的是，它們通常按非常簡單的指標進行分類，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
圖像質量至關重要，因為我們依靠傳感器來檢測危險或發現制成品中的缺陷。 系統設計人員（和最終用戶）通常認為更高的分辨率（圖像中的更多像素）會提高圖像質量。 然而，并非總是如此。 更高的分辨率確實會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。 更高的分辨率會影響關鍵參數，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，以滿足成本和尺寸目標，同時提高圖像質量。
人們經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。 在新項目開始時，完整的需求分析應該從最終用途和滿足該需求的核心參數開始，并受到物理尺寸（鏡頭和相機機身）、功率或其他限制等限制。 與在評估中過早通過分辨率限制選擇相比，這種方法將產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，設計人員可能會在電源設計等方面做出妥協。 這種方法會降低圖像質量，因為電源組件的電噪聲會導致圖像缺陷，這些缺陷可能從細微到顯而易見，每個觀眾都會注意到，即使他們不知道原因。
本質上，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”在圖像中都會更加明顯。來自電源的電壓尖峰或電壓瞬變會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，但超出該范圍的任何偏差都可能影響圖像質量。因此，供電質量是相機系統設計的關鍵要素。
噪聲源
雖然擁有一個完美的設備可以無誤差或無偏差地測量，但實際上，傳感器芯片中的電路會受到不同的噪聲源的影響，這些噪聲源會影響每個像素的信號水平，從而影響最終圖像中的像素。 一般來說，現代傳感器可以很好地控制讀取噪聲，但另一種稱為暗信號非均勻性 (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。 如果每個像素都相同，則可以減去它——就像您可以編輯照片以使整個圖像稍微暗一些一樣。 當整個陣列不均勻時就會出現問題，因此 DSNU 是衡量整個陣列有多少變化的量度，并且隨著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驗室中測試時可能看起來不錯，但如果在炎熱的夜晚在室外進行測試，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，這個噪聲源會更明顯。 為解決這個問題，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，你可能不會注意到額外費用，因為它只是一個很小的百分比 錯誤，即使在這兩種情況下都是 $3。 同樣，如果你有來自數千個光子的信號電平，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，您會在某些區域觀察到更多噪點。 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”中。 盡管如此，在低光過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細節，很難解釋這一點，但類比可能就像自行車上的齒輪。 如果您有一輛 10 速自行車，您將擁有一個針對低速優化的齒輪，一個針對最高速度優化的齒輪，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（明亮的陽光）的齒輪，但是您從低速到中速和中速到高速不會很舒服，你可能會發現你的旅程的某些部分確實需要這種缺失的齒輪之一。
一些制造商經常將平均 SNR 吹捧為圖像傳感器的主要指標，通過挑選 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量。 這類似于自行車制造商在我們的示例中引用 3 速自行車的平均傳動比。 中間檔位大約是所有 3 個檔位的平均值，但從低檔到中檔和中檔到高檔的過渡留下了很大的差距。 設計人員必須了解這一點，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，并測量整個范圍內的 SNR，試圖發現您的自行車是否存在“缺檔”問題。
簡而言之，如果圖像質量對您的圖像傳感器應用至關重要，那么您需要避免一些潛在的陷阱。 關于分辨率和噪聲影響的假設必須通過測試進行驗證，以確保您的最終系統設計不會出現意外。
來源：電子工程世界