EMVA1288 鏡頭標準

關於EMVA1288歐洲工業視覺標準

EMVA1288標準用於分析和測試工業視覺使用的圖像傳感器和相機（無論是線陣還是面陣傳感器均可，多種光譜波段），目前廣泛應用於全球多種工業應用領域。它由歐洲工業視覺協會（European Machine Vision Association）發佈。

EMVA1288 Tester是由歐洲工業視覺協會成員單位Aphesa公司研發，專門基於EMVA1288標準的工業相機測試設備，Aphesa公司也提供測試服務。

此設備在測試時，使用連續、均勻的單光譜光源進行多次曝光，通過分析生成的圖像數據庫進行計算。測量結果會基於標準化的模版成生一份詳細的測量報告。

表明一個項目指標能否作為測試或者表徵標準，首要關鍵是能指出該項目對於主體與客體的重要意義。在相機的有關特性中，光電性能決定了相機大部分的應用範疇。EMVA 1288對讀出噪聲、量子效率、暗電流、飽和容量等做了較為詳細的理論與試驗分析，其對用戶選擇相機種類、對比相機的特性、判斷相機的應用領域有著重要的參考價值。

EMVA 1288 標準對相機與圖像傳感器特性的測量參數：

• 靈敏度、線性度和時域噪聲

• 量子效率（Quantum efficiency η)

• 暗噪聲 (Dark noise)

• 絕對靈敏度閾值

• 空間不均勻性

• 暗信號的不均勻性（DSNU）

• 光子響應不均勻性（PRNU）

• 暗電流

• 缺陷像元

• 信噪比

• 動態範圍

• 其他衍生參數

那麼基於這些參數，能得到關於相機的什麼信息呢？

1、「量子效率」即相機芯片產生的電子數與所接收的光子數的比值，也可以說是轉化效率。量子效率關係到相機能夠對多微弱的光產生響應！

2、「暗噪聲」是指在無光照、曝光時間為零時由於讀出和放大電路的熱激發電子所產生的信號。顯然，相機只希望得到由於光子所產生的電子信號，這種噪聲是相機所不希望要的。暗噪聲影響了很多其他的表徵項目，很大程度上決定了相機的好壞。

3、「絕對靈敏度閾值」是一個很直觀的性能表徵量，直接告訴了我們當照射到相機的光子數達到多少量時，相機才會產生數值信號。

4、「暗信號的不均勻性」

指的是相機芯片上每個像素熱激發產生的暗信號的差別，這一點反應了芯片製造的工藝水平，從理論上，每個像素產生的暗信號應該是相同的。

通過什麼方式或者裝置來測量這些參數呢？

根據EMVA 1288標準，對相機進行表徵需要三種不同測量設備：

1、測量靈敏度、線性度和非均勻性需要使用均勻單色光源

2、測量暗電流溫度依賴性時需要對相機進行溫控的設備。在標準溫度下測量暗電流不需要特殊裝置

3、在傳感器敏感的整個波長範圍內測量不同光譜量子效率的設備

關於圖像傳感器解決方案，定制一套基於 EMVA1288 標準的精確測試系統的 ACC 系列產品此設備專用於測試圖像傳感器或相機（不裝鏡頭）的各項性能，不僅兼容歐洲工業視覺標準，還可以做為企業內部檢查和驗證相機質量，對比或校正相機的有利工具。

相機的物理模型（A）與單像元數學模型（B）用逗號分開的物理2量分別是其均勻值與方差；待測的未知量為紅色標記。

「靈敏度、線性度、噪聲」

測量條件：

① 溫度：室溫或高於室溫的受控溫度下進行，溫度的控制方式必須具體說明；

② 數字分辨率：將相機的位數設置的盡可能的高；

③ 增益：把相機增益設置得盡可能小以保障每個像元能達到滿阱且信號不溢出；

④ 偏置：將相機的偏置設置的盡可能小；

⑤ 輻照度值的分布：至少採用50個等間隔的曝光時間或輻射量值來產生從暗場灰度值到最大灰度值之間的各個灰度值；

⑥ 採集圖像的數量：在每種輻射量條件下，採集兩幅圖像；

靈敏度、線性度和非均勻性測量時，要求光源均勻地照射到沒有按照鏡頭的圖像傳感器上。測量所用的均勻光源最好選擇積分球光源（只是建議）然而，即使是一個完美的積分球光源，照射到傳感器面上的光線的均勻性還是與傳感器的直徑有關（傳感器面的直徑不能大於面光源的開口直徑）

實際的光照裝置，即使使用積分球光源仍會因以下幾個因素而導致其具有較差的均勻性：

① 鏡頭接口的反射：鏡頭接口壁的反射會導致明顯的不均勻性，特別是當鏡頭接口的內壁設計不當，又沒仔細地發黑處理時，或如果圖像傳感器的直徑大小與鏡頭接口內壁孔徑大小接近的時候。

② 光源的各向異性：在某種程度上，一個實際的積分球總會殘留一定的不均勻性。

「量子效率」

如上圖所示，一個數字圖像傳感器本質上就是，將曝光時間內入射到像元面上的一定數量的光子轉換為一定數量的電子，然後通過存貯這些電荷的電容轉換為一定幅值的電壓信號，此信號放大量化最終變成數字圖像的灰度值。

假設一個像元的面積為A在一定曝光時間內入射到該像元上的光子數平均為µp，其中一部分入射光子被吸收轉換為一定電荷量µe的電子，轉換為電荷的光子數與入射光子數的比定義為總量子效率：

η（λ）= µe / µp （1）

如公式（1）所示，量子效率與照射到像元上光子的波長有關。

對於黑白相機，量子效率可以用帶寬小於50nm的單波段進行測量。由於彩色相機需要對各色通道進行全面的測量，所以各色通道在每個波段下的量子效率都需要測定和報告。對於採用彩色濾光模板的彩色相機，重復模板中的每個像元的位置都必須分別分析。

「噪聲」

光電轉換的電荷數（以電子為單位計算）的波動符合統計規律。根據量子力學，該波動符合泊松（Poisson）分布。因此，該波動的方差等於累積電荷數的平方值，這種噪聲通常被稱為散粒噪聲，是由基本物理定律決定的，對各種類型的相機具有普適性。其他所有噪聲源取決於傳感器的具體構造和相機的電子器件。

「信噪比」

信號質量由信噪比描述，若不考慮量化噪聲所引起的微小影響，信噪比曲線在低照度是線性增長，在高照度時變為相對緩慢的呈平方根函數增長。一個真實的傳感器可與量子效率為1，暗場噪聲為0、量化噪聲可忽略的領先傳感器作對比，對比兩者的信噪比曲線，可以直觀地看出實際傳感器接近理想傳感器的程度。

測量方法：根據所測量的灰度平均值和方差可用於計算實際的信噪比

「暗電流」

暗信號並不是一個固定值，主要由於暗信號的一部分源自於熱生電子的貢獻，因此，暗電流會隨著曝光時間的增加而線性增長。因為熱會產生電荷，暗電流隨著溫度增加近似呈指數關係，因此在相機參數中只有暗電流具有很強的溫度依賴性，所以只有暗電流溫度相關性測量需要在不同的環境溫度下進行。

暗電流測量方法：

① 一定溫度下暗電流評估：

暗電流測量要求沒有光源照射，暗電流可以通過隨曝光時間線性增加的案場灰度值的均值或方差來測量，當然，首選暗場均值法，因為均值法比方差發對暗電流的估計更為準確。但是，如果相機有暗電流補償的話，暗電流只能用方差法來估計。測量電流是，至少要選擇6個等間隔的曝光時間。如果暗電流很小，則需選擇比靈敏度、線性度和噪聲測量長的多的曝光時間。

② 不同溫度下的暗電流評估：

暗電流的加倍溫差是採用上述方法在不同殼體溫度下測量得到的，暗電流所確定的，測量範圍應該包含相機工作的整個範圍。將相機感光口遮住，放置在一個溫度控制箱內或通過其他方式控制測試溫度，把殼體溫度控制到下一次測量所需要的溫度值。對於內部有溫度控制和圖像傳感器制冷功能的相機，則不需要採用溫箱，其暗電流的溫度依賴性只能在相機可正常工作的範圍內進行測試。

「空間不均勻性」

由於一個像元陣列中不同像元的特性參數是不同，有時這些不一致性被稱為固定圖形噪聲（fixed pattern noise，FPN）但這種不一致不是使信號在時間域發生變化的噪聲，因此將這種效應稱為不均勻性。非均勻性分兩種基本形態：

① 不同像元的暗信號不同，稱為暗信號不均勻性（DSNU）指的是相機芯片上每個像素熱激發產生的暗信號的差別，這一點反應了芯片製造的工藝水平，從理論上，每個像素產生的暗信號應該是相同的。

② 不同像元的靈敏度不同，稱為光子響應不均勻性（PRNU）

對於所有類型的空間不均勻性都可以用空間方差來定義，它是對空間不均勻性的全局測量。然而，一般不能認為空域不一致性是正態分布的，除非這種變化是隨機的，即這些變化之間不存在空間相關性，故空間不均勻性的描述須考慮一下幾種效應：

漸進變化：製造的缺陷會引起整個芯片的漸進式的低頻變化。這種效應不易測量，很難做到對整個芯片進行均勻輻照。不過這一效應並不會顯著降低圖像質量，人眼根本看不到影響。另外，鏡頭遮擋和不一致照明都會導致緩邊。因此，對於那些要求整個傳感器陣列響應平坦的應用，必須對整個成像系統的漸進變化進行校正。

週期性變化：這種類型的失真由相機內部電子器件干擾引起，屬於非常糟糕的情況，由於人眼對這種失真特別敏感；同樣，它對很多圖像處理也會產生干擾；因此檢出這種空域變化尤為重要。譜圖（如：空域變化功率譜）的計算可以非常容易的實現對週期性變化的檢測。在譜圖中，週期性的變化在特定空間頻率處，呈現尖銳的峰值。

異常值：指那些性能與平均值明顯偏離的單像元或者想元團簇。

隨機變化：如果空域非均勻性是完全隨機的，即沒有空間相關性，功率譜是平坦的，該偏差在全部波長上均勻分布，這樣的功率譜稱為白色功率譜。

「缺陷像元」

由於應用不同，不能給出一個通用的缺陷像元定義，更合適的方法是採用直方圖對像元特性的統計信息進行描述。通過這種方法，測試者可以使用應用指定的准則確定有多少個不能用（缺陷）像元。方法：

① 對數直方圖

② 累計直方圖