8000万像素的成像仪是否真的好得令人难以置信?

日期:  
2018年 6月 21日
作者: 
Shaina Warner  | 
主题: 

如果您正在寻找一款成像系统,并且正好有人向您推销一款8000万像素的相机,上面贴着一个很小的价格标签…在购买之前,您应该了解以下事情:

  • 您知道吗?
    • 当相机采集图像时,光子会映射到相机的CCD像素中。CCD上的像素尺寸可能不尽相同。尺寸小的像素具有较小的光子存储容量(称为“阱深”),而尺寸较大的像素则具有更多的光子存储容量。由于尺寸较大的像素可以存储更多的光子,因此它们采集的图像具有更大的亮度级差异(即对比度,其构成相机的“动态范围”),从而实现更精确的图像分析。在每个像素捕获多个电子的情况下,所有相机采集的图像都具有一定数量的固有电子噪声。尺寸较大的CCD像素会捕获更多的光子,这增加了真输入(准确地捕获反射的光子以创建图像)与假输入(即电子噪声)的比率。
       



      示例:尺寸较大的CCD像素如何捕获更多的光子,并且一旦被填充,相比电子噪声量,将提供更多的良好信号.

               

      低噪声图像(左)与高噪声图像(右)之比较.

      我们将这个比率称为“信噪比”(SNR),其中,信号是真输入量,而噪声则是不可避免的不必要电子活动。相比假输入量(噪声),尺寸较大的CCD像素可以捕获大量的真输入(信号),因此具有较高的SNR,而尺寸较小的CCD像素捕获的真输入(信号)与假输入(噪声)之间的比率较低,因此具有较低的SNR。较高的SNR可以为图像提供准确的亮度和对比度变化,当使用成像系统进行测量和分析时,这一点至关重要.





      具有较低SNR的图像使得我们从噪声中解析信号变得更加困难(上图)。具有较高SNR的图像捕获的主要是信号,因此我们很容易从噪声中将信号辨别出来(下图).

      查看来自Cambridge in Colour的另一个有关SNR的良好示例: http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/image-noise.htm

      考虑一下这个例子:想象您正在一个房间里用标准音量说话。您正在产生信号,该信号将被接收者(听众)解读。在嘈杂的房间里,您的信号将很难被听到。跟成像系统一样,问题的关键在于需要建立一种场景,其中,信号水平与噪声水平之间必须有足够的差异,以确保将想要的声音(您的声音)与周围其他不必要的输入(房间内的噪声)区分开来.
  • 问题在哪里?
    • CCD传感器及其像素会占据物理空间。您放置在CCD传感器上的像素越多,像素则一定越小。或者说,如果您想增加8000万像素CCD中的像素尺寸(以维持较高的SNR),那么CCD传感器的物理尺寸也必定增加.
       



      考虑到每个CCD具有相同的像素数量,随着像素尺寸增加,CCD的尺寸也必定增加.

      因此,您将需要一台各种组件均较大的相机,以容纳较大的CCD,并配备较大的镜头来捕捉足够的光线,以映射到较大CCD中的每个像素。像这样的非标准组件要比标准组件昂贵得多。在20世纪20年代,莱卡(Leica)设定了镜头尺寸标准,使35mm成为了市场上最常见、使用最广泛的相机镜头规格。这种尺寸的镜头可以捕捉足够的光线映射到有限的物理区域。换句话说,CCD的物理尺寸只能这么大,以确保标准35mm镜头能够提供足够的光线来充分利用每个CCD像素。




      为了使CCD与标准35mm镜头采集的成像区域拟合,CCD像素尺寸也必须受到限制。在不减少像素数量的情况下,如果增加像素尺寸,则会使CCD尺寸增加到超出标准35mm镜头的成像区域之外(右图)。这意味着部分CCD区域将不会被使用,CCD采集的图像将不会是全分辨率。

  • 解决方案是什么?
    • 为了降低相机的成本,最佳办法是选择标准相机硬件和镜头,因此将会限制CCD尺寸。这意味着分配给我们以供接收光子的像素所使用的物理空间也将受到限制。然后,我们还需要作出一个决定:我们是选择像素数量较少但像素尺寸较大的CCD,还是在CCD上使用许多尺寸较小的像素来接收光子呢?
  • 考虑因素有哪些?
    • 分辨率是关键。分辨率是指给定CCD的物理区域内的像素数量。CCD可以在保持相同物理尺寸的同时增加分辨率,举例来说,800万像素的CCD可以与8000万像素的CCD的物理尺寸相同。那么,这两个CCD之间的区别是什么呢?正如我们之前已经提到的,要增加有限尺寸的CCD的像素数量,我们需要使像素尺寸变得更小。从表面价值来看,配备标准镜头的标准尺寸相机内的8000万像素CCD似乎具有最佳投资价值。您无需支付更大尺寸相机的成本便可获得更高的分辨率,这太棒了!然而,这款标准尺寸的8000万像素相机内的CCD上的每个像素都极其小。正如我们之前所讨论的,使用尺寸较小的像素意味着光子容量更小,因此SNR将较差。虽然由于分辨率较高,“8000万像素”可能会暗示您可以获取更高质量的图像,但如果像素尺寸较小,这实际上意味着您将拥有更多数量的不准确像素。
  • 什么是最佳成像系统?
    • 最佳成像解决方案取决于您的应用。对于个人使用设备(比如您的智能手机)中的相机而言,一点点图像噪声可能是可以接受的。对于精度更为关键的测量应用中使用的相机,优质组件与质量不佳组件之间的区别可能在于图像中测得的细节或者对比度水平。Radiant相机经过精心设计,可在CCD上的像素数量与像素尺寸之间取得平衡。很显然,我们希望拥有更多的像素,以采集包含更微小细节的图像(分辨率),但我们不希望所有这些像素都非常小,这样会产生较多的图像噪声。我们希望拥有尺寸较大的像素,以增加获得良好的清晰信号的机会(因为我们知道,对于尺寸较大的像素所具有的较大像素阱深容量而言,噪声只占其中较小的一部分)。但是,我们也不希望我们的信号被较少的像素来解读。最佳解决方案就是在各种因素之间取得平衡,确保实现最高分辨率(更多的像素)和最低噪声(更大的像素)。
       


      图像示例:高分辨率/高噪声图像(左)与低分辨率/低噪声图像(右)之比较。两者都不是可用于测量的理想图像,我们需要在两者之间取得良好的平衡.

      额外福利:查看来自Andor的这个相机对比图表,了解CCD的像素尺寸会对动态范围产生哪些影响

  • 建议:
    • 如果一台低成本的8000万像素相机似乎好得令人难以置信,那基本上就不是真的。非常重要的一点是,必须考虑相机的所有规格,以确保获取最佳解决方案。分辨率并不是孤立存在的,它受到多种因素的影响,其中最显著的就是CCD的物理尺寸限制,其可能会导致图像噪声增加或减少,具体取决于像素尺寸。
  • 相机规格的最佳组合:
    • 一款具有高动态范围的2900万像素CCD成像仪(像素尺寸为5.5μm)与标准35mm镜头搭配使用,可以提供如今基于图像的测量领域中的最佳相机规格组合。结合CCD制冷技术,可以减少热噪声,从而能够以经济高效的解决方案提供更高质量的图像。
       



      来自上述示例的图像,由Radiant 的2900万像素 ProMetric® 测量系统采集.

您需要采集包含极其微小细节的测量图像并对其进行分析,以确保发光组件显示器光源表面严格符合规格要求,并且能够持续反映您品牌的质量。Radiant已经积累了丰富的成像专业知识和经验。在过去25年的时间里,我们一直不断完善各种能力,包括选择性能最高的科学级CCD、采用热电制冷技术确保我们的系统具有较低的图像噪声等。我们的ProMetric®成像系统提供高达4300万像素的分辨率以及经过广泛验证的真正达到59 dB的系统动态范围和1x1像素组合,且不将图像平均化。我们的动态范围是基于整个系统的性能测得的,而非只是引用自传感器供应商的最佳CCD规格。相比竞争系统,我们的系统质量可确保每个图像包含更多的细节(分辨率)以及更多的灰度值(动态范围),从而能够根据最细微的视觉对比度差异执行精确的测量。我们利用CCD制冷技术优化了所捕获的图像信号相比噪声的数量,以确保我们的系统仅测量富有含义的数据。

8000万像素的成像技术是否可实现?是的!(并且就此而言,甚至可以更高。)但我们知道,一台像素尺寸较小的8000万像素相机通常牺牲了图像质量,而配备较大CCD的8000万像素相机则往往会导致硬件成本增加。在Radiant,我们设计系统时的目标是在图像质量与成本效益之间取得平衡,从而为客户提供最大的价值。



Radiant的 ProMetric成像系统提供200万至4300万像素的分辨率、经过广泛验证的动态范围高达61 dB(1x1像素组合)、24-200mm的镜头以及宽视场镜头和锥光镜头选项



ProMetric I29成像色度计采集的图像。高SNR可确保同时对这台发光显示器上的所有点实现精确的均匀性测量。

如需了解更多有关CCD尺寸、像素尺寸、分辨率和动态范围的平衡会对图像的采集和分析产生哪些影响的信息,请阅读来自Radiant的这篇技术白皮书,“分辨率和动态范围:两个关键的CCD参数对成像系统的性能产生哪些影响”。