EMVA1288中文翻译Word文件下载.docx
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EMVA1288参数
EMVA1288数据表
A参考书目
B表示法
C版本更改
增加的功能
将方法扩展到不同的照射
条件和程序的修改
极限时间标准偏差;
量化噪声介绍
具有不均匀度测量的高通滤波
D版本的变化
本节描述了如何描述灵敏度、线性度和时间噪声图像传感器或摄像机[3,4,6,8]。
如图1所示，数字图像传感器实际上是将曝光时间内的光子通过一系列步骤转换成数字。
在曝光时间内，平均µ
p光子冲击单个像素。
整个量子效率的一小部分吸收并积累µ
e电荷单位。
这里定义的总量子效率是指单个传感器elementpixel所占用的总面积，而不仅仅是光敏感区域。
因此，这个定义包括填充因子和微透镜的影响。
在公式
（1）中表示，量子效率取决于光子辐照像素的波长。
在暴露时间texp内，与区域a相对应的光子的平均数目，可以通过以W/m2为单位的传感器表面的辐照度来计算
使用著名的电磁辐射的能量量子化单位hν。
光速c=2.*108m/s,
普朗克常数h=·
10−34Js,
光子辐照度是由
或更方便的单元图像传感器
这些方程用于以W/cm2为单位的辐射计的辐照度转换成需要用来表征成像传感器的光子通量。
在相机电子设备中，由照片辐照度累积的电荷单位被转换成一个电压，放大，由模拟数字转换器（ADC）最终转换成一个数字信号y。
整个过程被假定为线性的，可以用一个单一的数量来描述，整个系统的增益K单位是DN/e-，换言即数字/电子。
这意味着数字信号µ
y为
µ
d是无光存在的平均数目电子,这意味着黑暗信号µ
=Kµ
d（单位DN，条件：
零辐射）。
注意暗信号通常取决于其他参数，特别是曝光时间和环境温度（第3节）。
方程式
（1）,
（2）,（5）。
平均灰度值µ
y和光子辐射之间，在曝光时间内到像素的线性关系:
这个方程可以用来验证传感器通过测量的线性平均灰度值与平均光子数事件在像素和测量反应性Kη斜率的关系。
一旦由公式（9）确定了整个系统增益K,也可以估计响应度Kη的量子效率。
电荷单位数（电子）在统计学上波动。
根据量子力学的规律，概率是泊松分布的。
因此，波动的方差等于平均累积电子数：
这种噪声通常被称为射击噪声，是由物理的基本定律所产生的，它同样存在于所有类型的照相机。
所有其他噪声源都取决于传感器和相机内电子部件的具体构造。
由于线性信号模型节），所有噪声源都叠加起来。
为了将整个照相机电子结构视为一个黑盒，我们只需要考虑两个额外的噪声源就足够了。
与传感器读出和放大器电路相关的所有噪声源可以由具有方差σ2d的独立于信号的正态分布噪声源来描述。
最后的模拟数字转换（图1b）增加了另一个噪声源之间均匀分布的量化间隔和方差σq2=1/12DN2。
因为所有噪声来源的方差是线性的,数字信号y的总时间方差σy2，根据误差传播定律给出：
利用方程式（7）和（5），噪声与测量的平均数字信号有关:
这个方程式是传感器特性的核心。
噪声的方差σy2与表示光感生的灰度值
y−µ
之间存在线性关系。
可以确定整个系统增益K的斜率与暗噪声方差σd2抵消。
这种方法称为光子传递方法[6,7]。
信号的质量由信噪比（SNR）来表示，信噪比被定义为
根据公式（6）（8），信噪比表达式可以表示为
除了由量化噪声引起的小效应外，整个系统增益K抵消，使信噪比只取决于量子效率η（λ）和暗信号噪声σd（单位e）。
有两种极限情况:
高光子带和低光子射程：
这意味着SNR曲线的斜率由低辐照线性增加到高辐照下的平方根缓慢增加。
真正的传感器可以被比作一个理想的传感器，它的量子效率η=1,没有暗噪声（σd=0）且量化噪声可以忽略不计（σq/K=0）。
给出一个理想的传感器信噪比：
在信噪比图中使用这条曲线，可以立即看到一个真实的传感器是如何接近理想的传感器的。
对于数码相机，它的数字灰度值在一定范围（0~2k−1）间。
然而，实际可用的灰度值范围会更小。
深灰色的平均值µ
必须高于零，这样就没有明显的由时间噪声产生的底流和暗信号的不均匀性（确切的定义见第节）。
同样的，由于时间噪声噪音和照片响应不均匀性，最大可用灰度值低于2k−1。
因此,饱和辐照µ
p被定义为测量的最大灰度值与方差之间的关系（单位光子照射/像素）。
这个定义是根据公式（9），随着灰度值的增加，方差在增加，当数字值被限制到最大数字灰度值2k-1时，灰度值再次减小。
从饱和辐照µ
饱和容量µ
可以计算:
饱和容量不能与满阱电荷相混淆。
它通常低于满阱电荷,因为在物理达到饱和的像素,信号被剪切到最大数字值2k-1。
最小可检测辐照度或绝对灵敏度阈值μp可以通过使用SNR来定义。
所需的平均光子数是SNR等于1。
为此，需要知道公式（11）的逆函数。
即达到给定SNR所需的光子数量。
反转方程（11）得到：
在最大限制和最小限制的SNR的中，该方程近似于
这意味着对于几乎所有的相机，也就是如，当（σd2+σq2）/K2>
>
1时，绝对灵敏度阈值可以很好地近似为：
信号饱和与绝对灵敏度阈值的比值定义为动态范围（DR）：
上一节中介绍的暗信号μd见公式（5），是不确定的。
暗信号的主要原因是热诱导电子。
因此，暗信号应随曝光时间线性增加
在这个方程式中，所有的量以电子（e-/pixel）为单位表示。
这些值可通过由整个系统的增益K分在单位DN的测量值来获得（eq（9））。
数量μI被称为暗电流，以e-/（pixels）为单位给出。
根据误差传播的规律，暗信号的方差然后给出计算公式：
因为热感应电子符合以公式（7）与σtherm2=μtherm的泊松分布，因为。
如果相机或传感器具有暗电流补偿，则暗电流只能使用公式（20）。
温度依赖性
暗电流的温度依赖性以简化的形式建模。
由于电荷单元的热产生，暗电流随着温度的升高大致呈指数增长[4,5,11]。
这可以表示为
常数Td具有K或◦C单位，并导致暗电流的温度间隔加倍。
温度Tref是执行所有其他EMVA1288测量的参考温度，μ为参考温度下的暗电流。
因为它是唯一具有很强的温度依赖性的相机参数，所以对暗电流温度依赖性的测量是在不同环境温度下进行的唯一测量。
迄今为止讨论的模型只考虑了一个像素。
然而，像素数组的所有参数将随着像素的变化而变化。
有时这些不均匀性称为固定模式噪声或FPN。
然而，这种表述是有误导性的，因为不均匀性是无噪声的，这使得信号在时间上变化。
不均匀性只能随机分布。
所以最好把这个效果称为非均匀性。
通常有两个基本的不均匀性。
首先，暗信号对每个像素都不同。
这种效应称为暗信号不均匀性，缩写为DSNU。
其次，灵敏度的变化被称为光响应不均匀性，简称为PRNU。
EMVA1288标准以三种不同的方式描述不均匀性。
空间方差（）是空间不均匀性的简单整体度量。
光谱图方法（）提供了一种分析图案或周期性空间变化的方法，这可能会影响图像处理操作或观察者。
最后，缺陷像素的表征（）是根据应用特定标准指定不可用或缺陷像素的灵活方法。
空间方差，DSNU和PRNU
对于所有类型的空间不均匀性，可以定义空间方差。
这导致等效于时间噪声但具有另一个含义的方程式。
对传感器阵列的所有像素上计算平均值。
M×
N暗场（ydark）和50％饱和度图像（y50）的平均值由下式给出
其中M和N分别是图像的行和列数，m和n分别是数组的行和列索引。
同样，暗场和50％饱和度图像的空间方差s2由下式给出：
所有空间方差用符号s2表示，以便于它们与时间方差σ2区分开。
EMVA1288标准的DSNU和PRNU值基于空间标准偏差：
索引1288已被添加到这些定义中，因为在文献中可以找到这些量的许多不同定义。
DSNU1288以单位e-表示，在乘以总体系统增益K后，也可以以单位DN给出。
PRNU1288被定义为相对于平均值的标准偏差。
以这种方式，PRNU1288给出了光响应不均匀性的空间标准偏差，以%为单位。
不均匀类型
前面各节中定义的差异仅给出了空间不均匀性的全面测量。
然而，通常不能假定空间变化是正态分布的。
这只有在空间变化完全随机的情况下才是这样。
即，不存在变化的空间相关性。
然而，为了充分描述空间不均匀性，必须考虑几个效果：
逐渐变化：
制造缺陷可能导致整个芯片的逐渐低频变化。
这种效果不容易测量，因为它需要非常均匀的照射芯片，这是难以实现的。
幸运的是，这种效果并没有显着降低图像质量。
观察者根本无法检测到由透镜（阴影，渐晕）和不均匀照明引入了额外的逐渐变化。
因此，对于需要整个传感器阵列平坦响应的应用，必须使用完整的图像系统来逐步改变。
定期变化：
这种类型的失真是由电子相机中的电子干扰引起的，并且非常令人讨厌，因为人眼能非常敏感地检测到这种失真。
同样，许多图像处理操作受到干扰。
因此，检测这种类型的空间变化是重要的。
这通过计算频谱图来完成最为容易，即空间变化的功率谱。
在频谱图中，周期性变化显示为单位周期/像素中特定空间频率的尖峰。
离群值：
表示单个像素或像素集与平均值的显着偏差。
这种不均匀性在第节中有详细的讨论。
随机变化：
如果空间不均匀性是纯粹随机的，即没有显示空间相关性；
功率谱平坦，即变化在所有波长上均匀分布。
这样的光谱称为白色光谱。
从这个描述可以看出，对于谱图的计算，功率谱是一个很好的工具。
随着应用程序需求的不同，不可能找到一个共同点来精确定义像素有缺陷的时间。
因此，以直方图的形式提供关于像素属性的统计信息更合适。
以这种方式，使用者可以使用应用程序特定的标准来指定多少像素不可用或存在缺陷。
对数直方图。
绘制直方图与对数y轴是有用的两个原因（图2a）。
首先，将测量的直方图与正态分布进行比较很容易，其在对数图中显示为负形抛物线。
因此，容易看出与正态分布的偏差。
其次，也是罕见的异常值，即例如，可以容易地看到数百万像素中的几个像素。
所有直方图必须从多个图像上的平均值的像素值中计算出来。
以这种方式，直方图仅反映空间噪声的统计，并且将时间噪声平均化。
单个图像的统计数据是不同的。
它包含总噪声，即空间和时间噪声。
然而，看到平均图像直方图的异常值需要多久才会在时间噪声中消失是有用的（图2b）。
一般来说，偏离模型影响最终应用程序的程度很难预测。
其中一些图像将被直接观察，而其他图像则被各种算法使用。
虽然人类通常能够很好地处理一些像素显示异常的图片，但一些算法可能会受到影响。
一些应用程序将需要无缺陷的图像，有些应用程序将容忍一些异常值，而其他应用程序仍然存在大量像素略有偏差的问题。
所有这些信息可以从对数直方图中读出。
第二种类型的直方图，积累的直方图是有另外作用的（图3）。
计算出的像素的偏差大于一定量。
这可以很容易地与应用程序的要求相关。
相机或芯片制造商的质量标准可以很容易地绘制在该图中。
通常，检测标准是只有一定量的像素偏离超过某个阈值。
这可以通过图中的矩形区域来反映。
在这里，它被称为阻挡带，类似于高频技术的图纸，应该是电子工程师非常熟悉的。
本节讨论了光响应分布可能由照明源的逐渐变化主导的问题，特别是辐射度朝向传感器边缘的典型脱落。
然而，由于两个原因，图像传感器的低频空间变化不太重要。
首先，镜头会朝向图像的边缘（透镜阴影）引入脱落。
除了特殊的低遮蔽镜片，这种效果对低频空间变化作出了重大贡献。
其次，几乎所有的图像处理操作对逐渐的照射变化都不敏感。
另见第节讨论项目逐渐变化。
为了显示相机的属性而不是不完美的照明系统的属性，在计算第节节讨论的缺陷像素特性的直方图之前，应用高通滤波。
这样就抑制了低空间频率传感器特性的影响。
高通滤波使用盒式滤波器进行，详见附录.
5概述测量设置和方法
根据EMVA1288标准的表征需要三种不同的测量设置：
1.使用均匀单色光源测量灵敏度，线性和不均匀性的设置（第6和8节）。
2.暗电流的温度依赖性的测量需要一些手段来控制摄像机的温度。
在标准温度下测量暗电流不需要特殊设置（第7节）。
3.在传感器敏感的整个波长范围内的量子效率的光谱测量设置（第9节）。
以下各节介绍测量设置，并详细说明测量过程。
所有相机设置（除了声明的曝光时间的变化之外）对于所有测量必须相同。
对于不同的设置（例如增益），必须获取不同的测量集合，并且必须呈现包含可能影响相机特性的所有参数的不同参数组。
线扫描传感器被视为区域扫描传感器。
获取至少100行到一个图像，然后进行与区域扫描相机的所有评估，除了垂直谱图的计算（第节）。
并非所有测量都是强制性的，如表1所示。
如果报告了至少一台摄像机的所有强制测量结果，则数据手册仅符合EMVA1288标准。
如果报告了可选的测量，这些测量必须完全符合相应的EMVA1288程序。
图5-12所示的所有示例性评估来自模拟数据，因此也用于验证方法和算法。
模拟了12位640×
480摄像机，其量子效率η=，暗值为DN，增益K=，暗噪声σ0=30e-（σ=），并具有轻微的非线性相机特性。
DSNU具有白色空间标准偏差sw=DN和幅度为DN的两个正弦图案，水平和垂直方向的频率分别为和厘米/像素。
PRNU的空白标准偏差为％。
此外，模拟了一种略微不均匀的照明，边缘向边的二次脱落约3％。
6灵敏度，线性和噪声的方法
均匀光源几何
对于灵敏度，线性和不均匀性的测量，需要具有光源的设置，均匀地照射图像传感器，而无需安装镜头。
因此，传感器由距离传感器平面距离d处的放置在照相机前面的直径为D的漫射盘形光源照射（图4a）。
每个像素必须以一定的角度从整个磁盘接收光。
这可以通过设置的f号来定义，这被定义为：
根据标准进行的测量需要f数为8。
最好的均匀光源是一个积分球。
因此，不需要，但推荐使用这种光源。
但是，即使使用完美的积分球，传感器区域照射的均匀性取决于传感器的直径D’，如图4b所示[9,10]。
距离d=8·
D（f-number8），图像传感器的直径D’等于光源的直径，减小仅为约％（图4b）。
因此，传感器面积的直径不应大于光源开口的直径。
由于以下一个或多个原因，即使具有积分球的实际照明设置也具有更差的不均匀性：
镜头座反射：
透镜座的墙壁上的反射会导致显着的不均匀性，特别是如果镜头座的内壁没有被适当设计，并且未被小心地涂黑，并且图像传感器的直径接近透镜座的自由内径。
各向异性光源：
根据设计，一个真正的积分球将显示一些残余的不均匀性。
对于其他类型的光源来说更为如此。
因此，必须指定照明的空间不均匀性ΔE。
应给出测量图像传感器的面积上的最大和最小照射之间的差值除以平均照射百分比：
建议ΔE不大于3％。
该建议的理由是，线性度应在传感器全范围的5-95％范围内进行测量（见第节）
光源的光谱性质
灰度级相机的测量使用全宽半最大值（FWHM）小于50nm的单色光进行。
对于单色相机，建议使用中心波长的光源，以达到被测相机的最大量子效率。
对于彩色摄像机的测量，光源必须以不同的波长范围进行操作，每个波长范围必须接近相应颜色通道之一的最大响应。
通常是蓝色，绿色和红色，但它可以是包括紫外线和红外线中的通道的颜色通道的任意组合。
这样的光源可以实现，例如例如通过发光二极管（LED）或宽带光源（例如白炽灯）或具有适当带通滤光器的弧光灯。
峰值波长λp，质心波长λc和全宽半最大值（FWHM）必须指定光源。
最好的方法是使用光谱仪直接测量这些数量。
使用光源制造商提供的规格也是有效的。
对于具有带通滤波器的卤素光源，通过将相应的黑体曲线与滤波器的透射曲线相乘来给出光源的光谱分布的良好估计。
根据式
（2），使用光源的质心波长计算光子数。
照射变化
基本上，有三种改变传感器照射的可能性，即图像传感器接收的每个区域的辐射能量：
1.恒定照明，可变曝光时间。
利用这种方法，光源以恒定的辐射度工作，并且照射通过曝光时间的变化而改变。
照射H被给出为照相机的曝光时间texp的辐照度E倍。
因为暗信号通常可能取决于曝光时间，所以需要在使用的每个曝光时间测量暗图像。
绝对校准取决于真实的曝光时间等于相机中设置的曝光时间。
2.持续曝光时间可变连续照明。
利用这种方法，光源的辐射度可以通过任何技术上可能的方式而变化，这种方式是可以充分重现的。
使用LED可以通过改变电流来实现。
因此，绝对校准取决于真实的曝光时间等于相机设置的曝光时间。
3.曝光时间恒定的脉冲照明。
通过这种方法，传感器的照射可以通过LED的脉冲长度而改变。
当接通时，将恒定电流施加到LED。
照射H被给出为LED辐照度E乘以脉冲长度t。
传感器曝光时间设置为一个恒定值，大于LED的最大脉冲长度。
LED脉冲由相机的“积分使能”或“选通”信号触发。
LED脉冲必须在积分时间开始时具有很短的延迟，并且必须确保脉冲适应于曝光间隔所以触发抖动没有问题。
脉冲照明技术不能用于卷帘快门模式。
或者，可以使用外部触发源来触发传感器曝光，并且LED同步闪烁。
根据第1节所述的基本假设1和2，所有三种方法都是等效的，因为所收集的光子的量，因此数字灰度值仅取决于辐照度E和时间的乘积。
所以，对于遵循节所述的线性信号模型的相机，所有三个测量值是相等的。
根据可用设备和要测量的摄像机的属性，可以选择三种照射变化技术之一。
照射校准
必须通过使用放置在图像传感器位置的校准光电二极管来绝对校准辐照度。
校准机构给出的光电二极管的校准精度以及与测量设置相关的可能的附加错误必须与数据一起指定。
取决于光的波长，绝对校准的精度通常在3％和5％之间。
参考光电二极管应至少每二年重新校准一次。
这也将是测量的量子效率的最小系统误差。
为了应用光子转移方法（第节和第节），并且以足够的精度测量传感器的线性度（第节和第节），不同辐照度水平的校准精度必须远高于绝对精度。
因此，校正曲线与线性回归的标准偏差必须低于最大值％。
线性和灵敏度测量条件
温度：
测量在室温或控制温度下升高到室温以上。
必须指定温度控制的类型。
通过将温度传感器放置在镜头座上，通过良好的热接触来测量摄像机外壳的温度。
如果使用冷却的相机，请指定设定温度。
在相机进入热平衡之前，不要开始测量。
数字分辨率：
将比特数设置为尽可能高，以便最小化量化对测量的影响。
增益：
设置摄像机的增益尽可能小，由于任何像素的全部容量都不会使信号饱和（这几乎不会发生）。
如果以这种最小增益，暗噪声σ小于DN，则暗噪声无法可靠地测量（这种情况只发生在具有高质量传感器的8位相机的罕见情况下），只能计算出时间暗噪声的上限。
然后动态范围受到量化噪声的限制。
偏移：
将相机的偏移设置为尽可能小，但足够大，以确保包含时间噪声和空间不均匀性的暗信号不会引起任何明显的下溢。
这可以通过将偏移量设置为数字值来实现，使得小于约％的像素下溢，即具有零值。
通过计算直方图可以很容易地检查这个限制，并确保不超过％的像素位于零点。
辐照度值的分布：
使用至少50个相等间隔的曝光时间或照射值，从暗灰度值和最大数字灰度值得到数字灰度值。
仅用于生产测量，可以采用少于9个适当选择的值。
测量次数：
在每个辐照级别拍摄两幅图像。
为了避免实时抓取开始时的瞬时现象，图像A和B是从实时图像序列中获取的。
还需要在每个曝光时间拍摄两张图像，每个曝光时间用于正确确定深灰色值的平均值和方差，这可能取决于曝光时间（第3节）。
根据光子测量的评估
转移方法如第2节所述，光子传输方法的应用和量子效率的计算需要测量平均灰度值和灰度的时间方差以及单位光子/像素中每像素的辐照度。
平均值和方差计算方法如下：
平均灰度值：
从两个捕获的M×
N图像yA和yB计算在有效区域的每个照射水平的所有N个像素上的灰度值μy的平均值
对所有行i和列j进行平均。
以相同的方式，计算暗图像的平均灰度值μ。
灰度值的时间方差：
通常，时间方差的计算需要捕获许多图像。
然而，在第1节提出的假设中，噪声是静止的和均匀的，所以取得两个图像的平方差的平均值就足够了
因为两个值的差的方差是两个值的方差之和，所以以这种方式计算的方差必须除以2，如方程（29）所示。
根据光子转移方法估算衍生量如下：
饱和度：
饱和灰度值μ作为平均灰度值，其中方差σy具有最大值（见图6中的垂直虚线）。
要找到该值，建议采用以下步骤：
通过从右侧扫描光子转移曲线并给出下一个两点较低的第一点给出饱和点。
对于平滑光子转移曲线，这相当于取绝对最大值。
可以使用任何其他确定性算法。
该算法必须记录在案，并且必须提供与通过EMVA网站发布的参考数据集相同的结果。
响应R：
根据式（6），斜率的关系：
y-µ
=Rµ
p
（零偏移）给出响应度R=Kη。
对于该回归，所有数据点必须在最小值和70％饱和度（（μμ））之间的范围内使用（图5）。
总体系统增益K：
根据方程（9），给出斜率的关系
σy2-σ=K（μy-μ）
（零偏移）给出绝对增益系数K.选择相同范围的数据点以用于估计响应度（见上文和图6）。
在所选范围内计算σy2-σ与μy-μ的最小二乘线性回归，并指定增益因子K。
量子效率η：
量子效率η以响应度R=Kη与整个系统增益K的比值给出：
对于单色相机，因此仅对带宽不大于50nm的单个波长带获得量子效率。
因为彩色摄像机的所有测量都针对所有颜色通道进行，所有这些波段的量子效率都被获得并被报告。
对于使用滤色器图案的彩色照相机系统，应分别对重复图案中的任何像素位置进行分析。
例如，对于拜耳模式，总共有四个颜色通道，主要是两个独立的绿色通道，蓝色通道和红色通道。
时间暗噪声：
需要计算两个值。
1.对于节中可变曝光时间的测量方法1
发现暗噪声是σydark2与曝光时间的线性对应关系的偏移。
对于节中的测量方法2和3，在最小曝光时间进行额外的测量以估计σ。
使用此值计算动态范围。
该值给出了给定位分辨率下相机的实际性能，因此包括量化噪声。
2.为了以e-为单位计算时间暗噪声（没有量化效应的传感器的数量），减去量化噪声并使用
如果σ<
，则时间噪声由量化噪声支配，并且不可靠的估计是可能的（节）。
那么σ必须设置为，单位为e的时间暗噪声的上限没有量化的影响，由
绝对灵敏度阈值μpmin：
使用定义方程（17），计算绝对灵敏度阈值μpmin。
饱和容量μpsat：
将饱和容量μpsat计算为光子数，该光子对应于灰度值与光子的方差之间的测量关系的最大值。
单位为e-的饱和容量μesat由公式（14）给出。
信噪比（SNR）：
根据方程（10），测量的平均值和灰度值
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