分辨率和动态范围-RadiantVisionSystems.pdf

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1、白皮书 分辨率和动态范围 : 两个关键的CCD参数会对成像系统的性能产生哪些影响 2I Radiant Vision Systems, LLC 分辨率 和动态范围 是评估成像色度计功能时必须考虑的两个重要参数。然而，我 们很容易对这两个参数产生误解。它们乍一看上去似乎非常简单: 分辨率是指2D 成像系统所能采集到的像素总数量，动态范围可以描述为该系统所能检测到的最 亮部分与最暗部分之间的比值。那么，很显然，相机的分辨率越高，动态范围越 大，图像质量则越佳。然而，事实上一些规格几乎相同的相机却具有完全不一样 的性能，这又是为什么呢？ 经过一番仔细审视后，我们发现，这些规格的细节、制造商描述规格的

2、方式以及 不同规格之间的相互影响等因素，导致这两个参数要比上面的简单定义显得更为 复杂。本白皮书将针对这两个关键参数进行详细阐述，帮助您进一步了解它们的 作用以及它们对2D成像应用的影响。这些信息旨在帮助任何人员在评估成像色度 计时能够确定系统的真正使用性能。 了解分辨率 成像色度计的 分辨率 是指成像传感器（通常为CCD）所采集到的单个水平像素 （ M）与垂直像素（N）的数量总和。对于典型的高精度成像色度计而言，它们 可以通过不同的滤光片采集多个图像，模拟x分量、y分量和z分量三色源曲线然 后对这些图像进行处理，将它们重叠，构成一个包含x分量、y分量和 激励值（代表图像的每个MxN像素）的图

3、像。高精度成像亮度计则通过 光片采集单个灰度图像。 在有些情况下，用户会将拜耳马赛克（Bayer Mosaic） RGB相机进行标定， 用于测量颜色。但这类系统缺乏基于CIE 滤光片的系统所能提供的色度测量 精度，因此只能解决一些特定的应用，如色彩均匀性等。但这类系统的确 具有速度和成本优势（因为只需采集一个图像），而且无需价格昂贵的x分 量、 y分量和z分量滤光片。在这种情况下，CCD像素的有效分辨率明显小 于基于CIE 滤光片的系统，其采用每隔一个像素进行插值的方式，将像素插 值在不同颜色之间，来测量不同的颜色。因此，这类RGB系统在水平维度和 垂直维度上的有效分辨率将会减少一半。以160

4、0 万像素的CCD为例，由于 插值处理法并不会产生新的信息，因此RGB系统的有效分辨率将仅为400 万 像素。遵循与RGB相机相同的逻辑，通过采用每隔一个像素进行插值的方 式， 1600 万像素的CIE 滤光片系统可以声称具有6400 万像素。当然，这并 没有任何意义，但却清楚地表明，这两类相机的分辨率不具有直接可比性。 分辨率和动态范围 : 两个关键的CCD参数会对成像系统的性能产生哪些影响 白皮书 成像色度计 是基于CIE 滤光片的CCD测量 系统，经过标定后，能够模拟人类视觉 对亮度和色度的感知。相比RGB系统， 它们能够提供更高的色度测量精度。 3I Radiant Vision Sy

5、stems, LLC 动态范围通常以分贝（dB ）为单位进行 测量，用于描述最大信号电平与读出噪 声电平之间的比值。 图1 - 基于CIE 的滤光片（左）和 RGB滤光片（右）配置。 如果我们对两种基于CIE 滤光片的高分辨率成像系统进行比较，分辨率问题会变 得更加有趣。举例来说，在相机分辨率相同的情况下，是什么因素导致不同成像 系统的性能存在差异？有些成像系统是否会比其他系统更适合特定的应用？ 要回答这些问题，我们需要查看基于每个像素的信噪比。下面，我们将探讨CCD 测量中的不同噪声源，并且看看这些噪声源会对不同的测量应用产生什么影响。 动态范围的定义 用于描述相机 动态范围 的测量单位有多

6、种，这自然可能会引起一些混淆。就CCD 测量而言，动态范围通常以分贝（dB）为单位进行测量，用于描述最大信号电 平与读出噪声电平之间的比值。在本白皮书中，我们将使用此定义来描述动态范 围。有关动态范围的其他表述还包括以数字表示的位深（例如12 位或 14 位）或者 比值（例如1000:1）。 CCD动态范围的数学表达式如下所示： (1) 电位阱值 是指像素中可获取的电子数量（即：CCD饱和之前可获取的电子数量） 。在这种情况下， 读出噪声 是指电子噪声，以电子数量表示，在将CCD模拟数据 转变为数字格式后进行传输时，信号中将会产生这种噪声；由于该噪声量不受测 量亮度水平（或饱和度）的影响，因此

7、，我们可以在暗态（暗场帧）中测得该噪 声量，从而将该噪声与统计光子噪声区别开来。 下面，我们以一个CCD为例来进行说明，假设该CCD的电位阱值为20ke - （ 20 千 电子）/ 像素，系统读出噪声为12e - 。基于这些值，我们可以计算出动态范围为 64.4 dB。 白皮书 4I Radiant Vision Systems, LLC 请注意，我们使用的表达是系统读出噪声，这不同于CCD读出噪声。任何从CCD 中采集模拟数据并将其转变为数字格式进行传输的电子系统都会产生噪声。所产 生的噪声量将取决于从CCD采集数据的速度，以及电路质量、相机设计和电路板 的制造。当我们使用上述方程式(1)

8、得出动态范围时，除了CCD制造商提供的电位 阱值和读出噪声外，我们还必须考虑刚才提到的其他因素。读出噪声必须基于整 个相机系统测得。然后，基于模拟数字转换（ADC）后获得的灰度值，以及测 得的读出噪声和电位阱值（以灰度值表示）与饱和电平（以灰度值表示），计算 上述方程式(1) 。 将散粒噪声添加到方程式：光子传输曲线 上述方程式并没有全面反映出与动态范围相关的事实。这是因为，任何亮度测量 都会受到无法克服的统计测量误差的影响，我们将其称为“散粒噪声 ”。这种噪 声以及其他噪声源的比值可以使用光子传输曲线（PTC）测量方法，在明场帧图 像（指具有标准饱和度场景的图像；例如全电位阱值的50-70%

9、 ）中测得。PTC 是噪声电平与信号电平的双对数坐标图，行业领先的相机制造商和用户经常使用 该方法，实现对基于CCD成像系统的关键性能参数的直接比。 1 散粒噪声是指基于给定时间段内检测到的离散独立光子数量变化的噪声。这种变 化性遵循泊松分布特性，如果光子数量较大，变化性则遵循高斯统计特性，或者 为测得光子( 电子 ) 平均数量的平方根。 图2 - 光子传输曲线（PTC）坐标图：方差与信号电平之比较，让制造商能够直接比 较成像技术的关键绩效指标。 对于在近全饱和条件下采集的图像，通过这种方式，我们可以将散粒噪声表示为 N，其中，N为电位阱值。 在任何测量中，总噪声电平是各种独立误差因素的组合，

10、包括散粒噪声、读出噪 声和图案噪声。如果是重复性的，图案噪声 可称为“固定图案噪声”（FPN）。 这通常可以通过均匀场校准或其他校准方法进行校准。在本白皮书中，我们假设 白皮书 噪声电平与信号电平之间的比值可以使 用光子传输曲线（PTC）测量方法，在 明场帧图像（指具有标准饱和度场景的 图像；例如全电位阱值的50-70%）中测 得。 5I Radiant Vision Systems, LLC 图案噪声已经过校准，可以忽略不计。然而，这种假设并不是可以随意作出的， 这是因为，如果不具有重复性，那么这类图案噪声可能非常难以消除。我们已经 注意到某些成像技术存在这一问题，这是Radiant目前尚未

11、将CMOS 传感器添加 到成像色度计系列的原因之一。 对于近全饱和测量，总噪声可以用下列方程式来表示: (2) 对于我们前面举例的电位阱值为20ke -、读出噪声为 12e -的 CCD，总噪声（以电 子数为单位）的计算结果如下： (3) 如这里所示，随着CCD电位阱面积变大，系统读出噪声将变得可以忽略不计。 噪声电平可以表示为信号的一部分: (4) 或者相反，SNR可以用下列方程式来表示: (5) 对于一个像素的明场帧SNR，我们使用同样的例子，获得了141:1的一个标准偏 差。如果以误差水平来表示，我们获得了0.7% 的一个标准偏差。 我们马上能够看出，如果我们拥有 141:1的明场帧SN

12、R，我们必须对信号的位深 描述保持谨慎。举例来说，将动态范围描述为16 位 (65535:1)，这仅仅是因为AD 转换产生16 位信号是没有意义的。在这种情况下，在每个像素的基础上，较低的 8位实际上是噪声。我们有时使用有效位数（ENOB） 来描述位深方面的动态范 围。很重要的一点是，我们必须了解所引用的值是ENOB，还是只是ADC信号。 当我们查看明场帧测量中的细微差异时，信噪比参数十分关键。举例来 说， Radiant Vision Systems的 mura 和缺陷检测系统就非常重视该参数。假设 我们想检测显示器中非常小的点缺陷，而周围区域的对比度差异十分细微。就该 例子而言，我们假设，

13、在2900 万像素的测量中，该缺陷的大小仅为1x1 CCD 像 素。要确保能以可重复的方式检测该缺陷，且不出现很多误报，缺陷对比度应当 超出 CCD测量噪声电平范围以外6个标准偏差。如果我们使用上面的值作为明场 帧噪声电平，噪声的6个标准偏差将为4.2% 。因此，对于非常小的点缺陷，如果 白皮书 我们有时使用有效位数（ENOB）来 描述位深方面的动态范围。很重要的 一点是，我们必须了解所引用的值是 ENOB，还是只是ADC信号。 6I Radiant Vision Systems, LLC 该缺陷的对比度小于4.2% ，测量系统将噪声与感兴趣缺陷混淆的可能性将会增 加。我们通过下面的图标描述了

14、这一点: 图3 - 要确保能以可重复的方式检测缺陷，对比度必须超出噪声电平范围以外6个标准 偏差。 图4 - 如果缺陷对比度小于6个标准偏差，测量系统很容易将缺陷与噪声相混淆。 白皮书 要确保能以可重复的方式检测该缺陷， 且不出现很多误报，缺陷对比度应当超 出 CCD测量噪声电平范围以外6个标准 偏差。 7I Radiant Vision Systems, LLC 如何能够增加信噪比（SNR）? 正如我们从上述方程式(5) 中可以看出的，要增加SNR，需要增加CCD像素的电 位阱面积，同时控制噪声源。噪声源的控制可以通过投资高质量的成像系统来实 现。这样的成像系统将可以提供高性能、低噪声的CC

15、D，其设计中将包含可靠的 电子组件和主动式CCD冷却方法。CCD像素电位阱面积的增加可以通过以下不同 的方式来实现： 1. 提取多次测量的平均值: 通过重复进行同一测量，可以多次“填满”电子电位 阱，从而有效地获取更大的电子电位阱。然而，这种方法存在两大缺点。第 一，要提取多次重复测量的平均值，意味着需要花费较长的测量时间。在生 产测试环境下，由于制造商必须满足生产节拍时间的要求，提取多次测量的 平均值并不是一种理想的方法。第二大缺点是，提取多次测量的平均值这种 方法无法适用于在测量过程中可能发生移动的元件。当我们以快如闪电的速 度或非常短的曝光时间采集元件的图像时，根本不可能有足够的时间用于

16、提 取多次测量的平均值。 2. 像素组合: 通过提取相邻CCD 像素的信号电平平均值，可以增加电位阱。举例 来说，进行2x2 像素组合，意味着将4个 CCD像素组合在一起，创建一个较大 的像素。在前面给出的CCD电位阱为20ke-的例子中，通过进行像素组合， 将产生80ke-的像素电位阱，这将可以使SNR增加 2倍，达到282:1，并使明 场帧误差水平降低至0.35% 。 然而，这种方法也会导致成像系统的分辨率降低。我们可以清楚地看到，分 辨率和信噪比是两个紧密交织在一起的参数。 需要补充说明的一点是，如果我们重新考虑使用16 位 ADC来获取65535:1明 场帧 SNR这一方法，我们将需要

17、约为215,000的 CCD像素和20ke-的电位阱。 这意味着平均值将约为500x500像素。对于12 位 ADC（ 4095:1）而言，信号 电平平均值将需要约为30x30 像素，电位阱值为20ke-。在这种情况下，大多 数用户会认为制造商将位深描述为16 位报告值有些夸张，12 位可能更合适。 3. 选择具有较大像素面积的CCD: 很简单，像素尺寸越大，意味着电位阱面积 越大，SNR越高。这是较大CCD的一大优势。然而，对于较大的CCD而言， 成像可能会更为复杂，通常需要价格昂贵的定制镜头。举例来说， 标准镜头通常无法为大幅面CCD的边缘提供照明。另一方面，通过使用较小 的像素来增加分辨

18、率这种方法也不太可行，因为这会导致SNR降低。当我们 试图维持较高的SNR，且不影响循环时间和分辨率时，采用较大的像素是最 佳解决方案。 以上各点有助于回答我们一开始提出的问题：“在相机分辨率相同的情况下，哪 些参数会导致不同成像系统的性能产生差异？”答案如下：在单次测量中，基于 单个像素的信噪比（通过光子传输曲线计算所得）。当分辨率保持不变时，对于 基于 CCD的测量系统而言，这是关键的性能指标和关键的成本产生因素。 白皮书 通过提取多个图像的平均测量值， 可以获得更大的电子电位阱。 通过进行2x2 像素组合，可以将4个像素 组合在一起，从而有效地创建一个较大 的像素。 很简单，像素尺寸越大

19、，意味着电位阱 面积越大。 8I Radiant Vision Systems, LLC 当我们评估系统是否适用于高分辨率、高精度亮度测量应用时，该指标将很关 键。这方面的例子包括单个显示像素的亮度测量以及相对较大视场中尺寸较小、 对比度较低缺陷的检测，如显示屏薄膜中的微观缺陷。或者说，较高的SNR在 高对比度成像中是一个不那么关键的参数，比如在显示器测量应用中，在明视场 背景下测量非常暗的显示器像素，或者在暗视场背景下测量较亮的显示器像素缺 陷。 这就引出了我们一开始提出的第二个问题：“在相机分辨率相同的情况下，有些 成像系统是否会比其他系统更适合特定的应用？”答案是非常肯定的，主要决定 因

20、素在于识别感兴趣对比度所需的噪声电平。 高动态范围（HDR）测量的效果如何 ? 高动态范围 成像会利用不同曝光时间设置下的多次测量。这将使成像系统能够利 用来自像素位置较短曝光时间设置下多次测量的非饱和像素，其中，较长曝光时 间设置下的测量已经将检测设备填充到饱和状态。这种类型的测量可以增加测量 中亮度较低区域的信号电平，因为现在亮度较低的区域将在信号中拥有更多的电 子数量。但这不会导致SNR增加，因为对于任何给定的像素而言，明场帧SNR仍 然适用。此外，由于需要针对同一场景采集多个图像，因此测量时间将会增加。 因此，如果需要采集到亮区域与暗区域之间对比度较高的图像，并且不需要考虑 测量时间时

21、，HDR测量将是有用的。 总结 我们可以清楚地看到， 分辨率 和动态范围 在成像系统的性能方面起到非常关键的 作用。但如果仅单独考虑这两个参数，它们所能提供的信息是有限的。我们还必 须同时考虑其他因素，包括散粒噪声 、 CCD 电位阱面积 和像素大小 。 适合高精度测量应用的最佳解决方案将是在各种参数之间进行权衡后产生的：我 们需要足够的像素来采集包含细微细节的图像（分辨率），但我们也需要以高精 度和高重复性来测量这些细微细节。要在最短的时间内获取高质量的图像，较大 的 CCD电位阱面积和较大的像素尺寸十分关键，但我们不想在解决方案中采用 价格昂贵的大幅面定制光学元件。Radiant选择将KA

22、I-29050 CCD作为分辨率 和像素尺寸之间的最佳权衡方案，确保能够以35mm的光学元件实现高精度测 量。虽然其他基于CMOS 传感器的系统能够以较低的成本实现较高的分辨率，但 Radiant发现这类系统无法达到其基于KAI-29050 CCD的系统所能达到的噪声性 能。 Radiant的 ProMetric? I29成像色度计和ProMetric Y29成像亮度计配备这 款 2900 万像素的传感器，在冷却条件下运行，能够进一步降低噪声。这些高性 能相机能够实现高精度、高分辨率的亮度和色度测量以及低对比度缺陷的精确检 测，同时还能够满足较短的循环时间要求。 ProMetric I29成像

23、色度计和 ProMetric Y29成像亮度计配备 KAI-29050 CCD。 Radiant认为该传感 器非常适用于高精度测量。 白皮书 9I Radiant Vision Systems, LLC 参考文献 1关于光子传输曲线（ PTC）的更多解释，可点击以下链接在线获 取 : http:/ Transfer_Curve_Charactrization_Method.pdf 其他参考文献: J. Janesick，“ CCD传输方法CCD及 CCD数字相机系统的绝对性能标准”， SPIE 论文集（Proceeding of SPIE），第3019 期，第70-120页， 1997 年。

24、J. Janesick、 K. Klaasen和 T. Elliott，“电荷耦合装置的电荷收集效率及光子传 输方法”，光学工程（Optical Enginnering），第26 期，第10 篇，第972- 980 页， 1987 年。 白皮书 revB_20170629 ? 2017 Radiant Vision Systems LLC. Radiant Vision Systems, ProMetric and TrueTest are trademarks of Radi- ant Vision Systems LLC. All other marks are the property

25、of their respective owners. 分辨率和动态范围在成像系统性能的确定方面起到非常关键的作用。但如果 仅单独考虑这两个参数，它们所能提供的信息是有限的。要评估任何成像系 统的真正性能，我们还必须同时考虑其他因素，包括散粒噪声、CCD电位阱 面积和像素大小。 立即联系我们 全球总部 Radiant Vision Systems LLC 22908 NE Alder Crest Drive, Suite 100 Redmond, WA 98053 USA T. +1 425 844-0152 F. +1 425 844-0153 大中华区 瑞淀光学系统（上海）有限公司 中国上

26、海市长宁区中山西路1065 号 SOHO 中山广场B301 室 邮编：200051 电话： +86 21 5242-2288 传真： +86 21 5242-2066 深圳办事处 中国深圳市龙华新区 梅龙路441 号 光浩国际中心二期B808 室 邮编：518131 电话：+86 755 2377-2596 台湾办事处 电话：+886 975 751 997 韩国 Radiant Vision Systems Korea LLC 12F, Seokun T ower 646 Sampeong-dong, Bundang-gu Seongnam-si, Kyunggi-do 463-400, Korea T. +82 31 8017-6797 RadiantVisionS InfoRadiantVS.com A Konica Minolta Company