EMVA 1288 欧洲工业视觉标准

表明一个项目指标能否作为测试或者表征标准，首要关键是能指出该项目对于主体与客体的重要意义。在相机的有关特性中，光电性能决定了相机大部分的应用范畴。EMVA 1288对读出噪声、量子效率、暗电流、饱和容量等做了较为详细的理论与试验分析，其对用户选择相机种类、对比相机的特性、判断相机的应用领域有着重要的参考价值。

EMVA 1288 标准对相机与图像传感器特性的测量参数：

• 灵敏度、线性度和时域噪声

• 量子效率 （Quantum efficiency η)

• 暗噪声 (Dark noise)

• 绝对灵敏度阈值 

• 空间不均匀性

• 暗信号的不均匀性 （DSNU）

• 光子响应不均匀性（PRNU）

• 暗电流

• 缺陷像元

• 信噪比

• 动态范围

• 其他衍生参数

那么基于这些参数，能得到关于相机的什么信息呢？

1、「量子效率」即相机芯片产生的电子数与所接收的光子数的比值，也可以说是转化效率。量子效率关系到相机能够对多微弱的光产生响应！

2、「暗噪声」是指在无光照、曝光时间为零时由于读出和放大电路的热激发电子所产生的信号。显然，相机只希望得到由于光子所产生的电子信号，这种噪声是相机所不希望要的。暗噪声影响了很多其他的表征项目，很大程度上决定了相机的好坏。

3、「绝对灵敏度阈值」是一个很直观的性能表征量，直接告诉了我们当照射到相机的光子数达到多少量时，相机才会产生数值信号。

4、「暗信号的不均匀性」

指的是相机芯片上每个像素热激发产生的暗信号的差别，这一点反应了芯片制造的工艺水平，从理论上，每个像素产生的暗信号应该是相同的。

通过什么方式或者装置来测量这些参数呢？

根据EMVA 1288标准，对相机进行表征需要三种不同测量设备：

1、测量灵敏度、线性度和非均匀性需要使用均匀单色光源

2、测量暗电流温度依赖性时需要对相机进行温控的设备。在标准温度下测量暗电流不需要特殊装置

3、在传感器敏感的整个波长范围内测量不同光谱量子效率的设备

相机的物理模型（A）与单像元数学模型（B）用逗号分开的物理2量分别是其均匀值与方差；待测的未知量为红色标记。

「灵敏度、线性度、噪声」

测量条件：

① 温度：室温或高于室温的受控温度下进行，温度的控制方式必须具体说明；

② 数字分辨率：将相机的位数设置的尽可能的高；

③ 增益：把相机增益设置得尽可能小以保障每个像元能达到满阱且信号不溢出；

④ 偏置：将相机的偏置设置的尽可能小；

⑤ 辐照度值的分布：至少采用50个等间隔的曝光时间或辐射量值来产生从暗场灰度值到最大灰度值之间的各个灰度值；

⑥ 采集图像的数量：在每种辐射量条件下，采集两幅图像；

灵敏度、线性度和非均匀性测量时，要求光源均匀地照射到没有按照镜头的图像传感器上。测量所用的均匀光源最好选择积分球光源（只是建议）然而，即使是一个完美的积分球光源，照射到传感器面上的光线的均匀性还是与传感器的直径有关（传感器面的直径不能大于面光源的开口直径）

实际的光照装置，即使使用积分球光源仍会因以下几个因素而导致其具有较差的均匀性：

① 镜头接口的反射：镜头接口壁的反射会导致明显的不均匀性，特别是当镜头接口的内壁设计不当，又没仔细地发黑处理时，或如果图像传感器的直径大小与镜头接口内壁孔径大小接近的时候。

② 光源的各向异性：在某种程度上，一个实际的积分球总会残留一定的不均匀性。

「量子效率」

如上图所示，一个数字图像传感器本质上就是，将曝光时间内入射到像元面上的一定数量的光子转换为一定数量的电子，然后通过存贮这些电荷的电容转换为一定幅值的电压信号，此信号放大量化最终变成数字图像的灰度值。

假设一个像元的面积为A在一定曝光时间内入射到该像元上的光子数平均为µp，其中一部分入射光子被吸收转换为一定电荷量µe的电子，转换为电荷的光子数与入射光子数的比定义为总量子效率：

η（λ）= µe  / µp    （1）

如公式（1）所示，量子效率与照射到像元上光子的波长有关。

对于黑白相机，量子效率可以用带宽小于50nm的单波段进行测量。由于彩色相机需要对各色通道进行全面的测量，所以各色通道在每个波段下的量子效率都需要测定和报告。对于采用彩色滤光模板的彩色相机，重复模板中的每个像元的位置都必须分别分析。

「噪声」

光电转换的电荷数（以电子为单位计算）的波动符合统计规律。根据量子力学，该波动符合泊松（Poisson）分布。因此，该波动的方差等于累积电荷数的平方值，这种噪声通常被称为散粒噪声，是由基本物理定律决定的，对各种类型的相机具有普适性。其他所有噪声源取决于传感器的具体构造和相机的电子器件。

「信噪比」

信号质量由信噪比描述，若不考虑量化噪声所引起的微小影响，信噪比曲线在低照度是线性增长，在高照度时变为相对缓慢的呈平方根函数增长。一个真实的传感器可与量子效率为1，暗场噪声为0、量化噪声可忽略的领先传感器作对比，对比两者的信噪比曲线，可以直观地看出实际传感器接近理想传感器的程度。

测量方法：根据所测量的灰度平均值和方差可用于计算实际的信噪比

「暗电流」

暗信号并不是一个固定值，主要由于暗信号的一部分源自于热生电子的贡献，因此，暗电流会随着曝光时间的增加而线性增长。因为热会产生电荷，暗电流随着温度增加近似呈指数关系，因此在相机参数中只有暗电流具有很强的温度依赖性，所以只有暗电流温度相关性测量需要在不同的环境温度下进行。

暗电流测量方法：

① 一定温度下暗电流评估：

暗电流测量要求没有光源照射，暗电流可以通过随曝光时间线性增加的案场灰度值的均值或方差来测量，当然，首选暗场均值法，因为均值法比方差发对暗电流的估计更为准确。但是，如果相机有暗电流补偿的话，暗电流只能用方差法来估计。测量电流是，至少要选择6个等间隔的曝光时间。如果暗电流很小，则需选择比灵敏度、线性度和噪声测量长的多的曝光时间。

② 不同温度下的暗电流评估：

暗电流的加倍温差是采用上述方法在不同壳体温度下测量得到的，暗电流所确定的，测量范围应该包含相机工作的整个范围。将相机感光口遮住，放置在一个温度控制箱内或通过其他方式控制测试温度，把壳体温度控制到下一次测量所需要的温度值。对于内部有温度控制和图像传感器制冷功能的相机，则不需要采用温箱，其暗电流的温度依赖性只能在相机可正常工作的范围内进行测试。

「空间不均匀性」

由于一个像元阵列中不同像元的特性参数是不同，有时这些不一致性被称为固定图形噪声（fixed pattern noise，FPN）但这种不一致不是使信号在时间域发生变化的噪声，因此将这种效应称为不均匀性。非均匀性分两种基本形态：

① 不同像元的暗信号不同，称为暗信号不均匀性（DSNU）指的是相机芯片上每个像素热激发产生的暗信号的差别，这一点反应了芯片制造的工艺水平，从理论上，每个像素产生的暗信号应该是相同的。

② 不同像元的灵敏度不同，称为光子响应不均匀性（PRNU）

对于所有类型的空间不均匀性都可以用空间方差来定义，它是对空间不均匀性的全局测量。然而，一般不能认为空域不一致性是正态分布的，除非这种变化是随机的，即这些变化之间不存在空间相关性，故空间不均匀性的描述须考虑一下几种效应：

 渐进变化：制造的缺陷会引起整个芯片的渐进式的低频变化。这种效应不易测量，很难做到对整个芯片进行均匀辐照。不过这一效应并不会显著降低图像质量，人眼根本看不到影响。另外，镜头遮挡和不一致照明都会导致缓边。因此，对于那些要求整个传感器阵列响应平坦的应用，必须对整个成像系统的渐进变化进行校正。

周期性变化：这种类型的失真由相机内部电子器件干扰引起，属于非常糟糕的情况，由于人眼对这种失真特别敏感；同样，它对很多图像处理也会产生干扰；因此检出这种空域变化尤为重要。谱图（如：空域变化功率谱）的计算可以非常容易的实现对周期性变化的检测。在谱图中，周期性的变化在特定空间频率处，呈现尖锐的峰值。

异常值：指那些性能与平均值明显偏离的单像元或者想元团簇。

随机变化：如果空域非均匀性是完全随机的，即没有空间相关性，功率谱是平坦的，该偏差在全部波长上均匀分布，这样的功率谱称为白色功率谱。

「缺陷像元」

由于应用不同，不能给出一个通用的缺陷像元定义，更合适的方法是采用直方图对像元特性的统计信息进行描述。通过这种方法，测试者可以使用应用指定的准则确定有多少个不能用（缺陷）像元。方法：

① 对数直方图

② 累计直方图

关于图像传感器解决方案，正印科技定制一套基于EMVA1288标准的精确测试系统的ACC系列产品此设备专用于测试图像传感器或相机（不装镜头）的各项性能，不仅兼容欧洲工业视觉标准，还可以做为企业内部检查和验证相机质量，对比或校正相机的有利工具。