Wie man die Kamera-Empfindlichkeit evaluiert

Vergleich der Kameraleistung mittels des EMVA1288-Bildqualitätsstandards

Inhalt:

• Vorstellung der Bildqualitätsmessungen basierend auf EMVA1288
• Definition der verschiedenen Messungen und wie sie gemessen werden
• Vergleich des Schwachlichtverhaltens von Kameras bei unterschiedlichen Belichtungszeiten
• Vergleich eines traditionellen CCD- und eines modernen CMOS-Sensors
• Vergleich der Sony Pregius-Sensorgenerationen
• Zusammenfassung

Der Vergleich grundlegender Kameraspezifikationen wie Bildrate, Auflösung und Schnittstelle ist einfach. Mit unserem neuen Kamera-Selektor können Sie mehr als 14 EMVA-Spezifikationen filtern und sortieren und die passende für Ihre Projektanforderungen finden. Komplizierter wird es beim Vergleich der Bildqualität von Kameras anhand von Kriterien wie Quanteneffizienz, zeitliches Dunkelrauschen und Sättigungskapazität. Zuerst müssen wir verstehen, was diese verschiedenen Messungen wirklich bedeuten.

Was ist Quanteneffizienz und wird sie am Maximum oder an einer bestimmten Wellenlänge gemessen? Wodurch unterscheidet sich das Signal-Rausch-Verhältnis vom Dynamikbereich? Dieses White Paper wird sich diesen Fragen widmen und erklären, wie Sie Kameras basierend auf Ihren Bildqualitätsdaten gemäß dem EMVA1288-Standard vergleichen und auswählen können.

EMVA1288 ist ein Standard, der definiert, welche Aspekte der Kameraleistung zu messen sind, wie sie gemessen werden und wie die Ergebnisse mit einer einheitlichen Methode darzustellen sind. Der erste Abschnitt des White Papers wird Ihnen dabei helfen, die verschiedenen Aspekte der Bildqualität eines bildgebenden Sensors zu verstehen. Es wird die grundlegenden Ansätze erläutern, die wichtig sind, um zu verstehen, wie ein Bildsensor Licht in ein digitales Bild umwandelt und letztlich die Leistung des Sensors bestimmt. Abbildung 1 zeigt ein einzelnes Pixel und hebt diese Ansätze hervor.

Abbildung 1: Umwandlung von Licht in ein digitales Bild durch den Sensor

Zuerst müssen wir das Rauschen verstehen, das dem Licht selbst innewohnt. Licht besteht aus einzelnen Partikeln, Photonen, die von einer Lichtquelle erzeugt werden. Da eine Lichtquelle Photonen zu zufälligen Zeiten erzeugt, wird es in der wahrgenommenen Intensität des Lichts ein Rauschen geben. Die Physik des Lichts besagt, dass das in der Lichtintensität beobachtete Rauschen der Quadratwurzel der Anzahl der von der Lichtquelle erzeugten Photonen entspricht. Diese Art von Rauschen wird als Schrotrauschen bezeichnet.

Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Photonen in einem Pixel von den Belichtungszeiten und der Lichtintensität abhängt. Dieser Artikel wird die Anzahl der Photonen als eine Kombination aus Belichtungszeit und Lichtintensität betrachten. Ebenso hat die Pixelgröße einen nichtlinearen Effekt auf die Lichtsammelfähigkeit des Sensors, da sie zur Bestimmung der lichtempfindlichen Fläche quadriert werden muss. Dies wird detaillierter im nächsten Artikel in Zusammenhang mit dem Vergleich der Leistung zweier Kameras besprochen.

Der erste Schritt um das Licht zu digitalisieren, ist die Umwandlung der Photonen in Elektronen. Dieser Artikel beschreibt nicht, wie dies in Sensoren erreicht wird, sondern zeigt wie die Effizienz dieser Umwandlung gemessen wird. Das Verhältnis der während der Digitalisierung erzeugten Elektronen zu den Photonen wird Quanteneffizienz (QE)genannt. Der Beispielsensor in Abbildung 1 hat eine QE von 50%, da 3 Elektronen generiert werden, wenn 6 Photonen auf den Sensor "fallen".

Bevor Elektronen digitalisiert werden, werden sie innerhalb des Pixels gespeichert, was als der Brunnen (Well) bezeichnet wird. Die Anzahl Elektronen, die innerhalb des Brunnens gespeichert werden kann, wird Sättigungskapazität oder Aufnahmetiefe (Well Depth) genannt. Erreichen den Brunnen mehr Elektronen als er über Sättigungskapazität verfügt, werden zusätzliche Elektronen nicht gespeichert.

Sobald die Lichtsammlung durch das Pixel abgeschlossen worden ist, wird die Ladung im Brunnen gemessen und diese Messung wird als das Signal bezeichnet. Die Signalmessung in Abbildung 1 wird durch eine Pfeilspur dargestellt. Der mit dieser Messung verbundene Fehler wird zeitliches Dunkelrauschen oder Ausleserauschen genannt.

Schließlich wird die Graustufe bestimmt, indem der in Elektronen ausgedrückte Signalwert in einen 16-Bit Analog-/Digital-Pixelwert (ADU) umgewandelt wird. Das Verhältnis zwischen dem analogen Signalwert und dem digitalen Graustufenwert wird als Gain bezeichnet und wird in Elektronen je ADU gemessen. Der Gain-Parameter gemäß EMVA1288-Standard ist nicht zu verwechseln mit dem Gain des "Analog-Digital-Wandlungsprozesses".

Bei der Bewertung der Kameraleistung ist es üblich, sich auf das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamikbereich zu beziehen. Diese zwei Messungen der Kameraleistung berücksichtigen das Rausch-Verhältnis der Kamera gegenüber dem Signal. Der Unterschied ist, dass der Dynamikbereich nur das zeitliche Dunkelrauschen berücksichtigt, während das Signal-Rausch-Verhältnis auch den Effektivwert der Summierung (RMS) des Schrotrauschens mit einbezieht.

Grenzempfindlichkeit bezeichnet die Anzahl an Photonen, die nötig ist, um ein Signal zu erreichen, das dem vom Sensor wahrgenommenen Rauschen entspricht. Dies ist ein wichtiger Messwert, da er die theoretische Mindestmenge an Licht darstellt, die benötigt wird, um überhaupt ein aussagekräftiges Signal zu erhalten. Einzelheiten zu dieser Messung werden in den folgenden Artikeln besprochen.

Um dabei zu helfen, Sensoren und Kameras basierend auf dem EMVA1288-Standard zu vergleichen, hat FLIR als erster in der Branche eine umfassende Bildqualitätsstudie mit mehr als 70 Kameramodellen erstellt. 

Vergleich der Leistung von Kameras bei schlechten Lichtverhältnissen

Für die Zwecke dieses White Papers werden wir Anwendungen wie die Nummernschilderkennung (LPR) oder die optische Zeichenerkennung (OCR) betrachten, bei denen häufig Schwarz-Weiß-Bilder verwendet werden und die Beleuchtungsstärke der Kamera aufgrund der kurzen Belichtungszeiten begrenzt sein kann. Es ist ziemlich simpel Auflösung, Bildrate und Sichtfeld zu bestimmen, um ein Darstellungsproblem zu lösen. Weniger einfach ist es jedoch, zu entscheiden, ob die Kamera über eine ausreichende Bildqualität verfügt.

Die Herausforderung wird gewöhnlich durch Versuch und Irrtum gemeistert. Denken wir an ein Beispiel, in dem ein Vision-System-Designer festlegt, dass eine Kamera mit ¼’’-CCD bei 30 FPS für den jeweiligen Einsatzbereich ausreichend ist. Die ersten Tests zeigen möglicherweise, dass die Kamera bei einer Belichtungszeit von 10 ms bei stehendem Objekt eine ausreichende Empfindlichkeit aufweist. Abbildung 2 zeigt ein einfaches Beispiel mit den Zeichen B, 8, D und 0, die durch einen Bildverarbeitungsalgorithmus leicht verwechselt werden können. Das Bild oben links, das mit einer ¼’’-CCD-Kamera aufgenommen wurde, erzeugt Bilder, die für die Bildverarbeitung geeignet sind.

Abbildung 2: Ergebnisse von Kameras mit 1/4"- und 1/2"-CCD bei unterschiedlichen Belichtungszeiten

Wenn sich das Objekt jedoch zu bewegen beginnt, müssen die Belichtungszeiten reduziert werden und die Kamera kann keine brauchbaren Informationen mehr liefern, da die Buchstaben "B" und "D" nicht von den Zahlen "8" und "0" unterschieden werden können. Die Bilder in der Mitte und unten links von Abbildung 2 zeigen die Verschlechterung der Bildqualität. Insbesondere ¼’’-CCD bei einer Belichtungszeit von 2,5 ms produziert Bilder, die für die Bildverarbeitung ungeeignet sind.

Für die Zwecke dieses Beispiels wurde angenommen, dass die große Schärfentiefe nicht erforderlich und damit die minimale Blendenzahl der Linse annehmbar ist. In anderen Worten, es ist nicht möglich, durch Öffnen der Blende mehr Licht aufzunehmen.

Folglich muss der Designer eine andere Kamera in Betracht ziehen. Die Frage ist, ob eine andere Kamera die Möglichkeit hat, die Leistung des Systems zu verbessern. Die Verwendung eines größeren Sensors gilt gemeinhin als gute Lösung für Leistungsprobleme bei schwachem Licht. Entsprechend könnte ein ½’’-Sensor eine gute Wahl sein. Aber anstatt mit Versuch und Irrtum fortzufahren, kann es nützlich sein, die EMVA 1288-Bildqualität der Kamera zu berücksichtigen.

Sieht man sich die EMVA 1288-Daten an, ist zu sehen, dass der ¼’’-Sensor über eine bessere Quanteneffizienz und geringeres Rauschen verfügt, der ½’’-CCD jedoch größere Pixel und eine größere Sättigungskapazität besitzt. Dieser Artikel zeigt, wie Sie bestimmen können, ob die ½’’-Kamera bessere Leistung bringen wird.

Abbildung 3 vergleicht die Kameras, indem der Signalwert mit der Leuchtdichte (Photonen/µm2) verglichen wird. Das Signal in Abhängigkeit von der Leuchtdichte wird mit folgender Formel bestimmt:

Eine wichtige Annahme für diesen Artikel ist, dass die Linsen über dasselbe Sichtfeld, dieselbe Blendenzahl und dieselben Kameraeinstellungen verfügen.

Abbildung 3: Signal erzeugt durch 1/4"- und 1/2"-CCD-Kameras in Abhängigkeit von der Lichtstärke

Die Abbildung zeigt, dass der ½’’-Sensor für dieselbe Leuchtdichte ein höheres Signal erzeugen wird. Es kann auch beobachtet werden, dass sich die Sättigung bei einer ähnlichen Leuchtdichte von 700 Photonen/µm2 einstellt, jedoch der ½’’-Sensor über eine wesentlich höhere Sättigungskapazität verfügt.

Im Einsatzbereich, der in diesem White Paper betrachtet wird, muss der Vergleich der Kamera bei schwacher Beleuchtung erfolgen. Dadurch wird die Berücksichtigung der Rauschpegel besonders wichtig.

Abbildung 4 zeigt Signal und Rauschen bei schwacher Beleuchtung. Das in der Abbildung dargestellte Rauschen ist eine RMS-Summierung des Zeitlichen Dunkelrauschens und des Schrotrauschens und wurde mittels folgender Formel berechnet:

Abbildung 4: Signal und Rauschen von 1/4"- und 1/2"-CCD-Kameras bei schwachem Licht

Die Grafik zeigt, dass die Grenzempfindlichkeit (die Lichtstärke bei der das Signal dem Rauschen entspricht) vom ½’’-Sensor bei einer etwas geringeren Stärke erreicht wird, als vom ¼’’-Sensor. Die wichtigere Messung, die benötigt wird, um zu bestimmen, welche Kamera unter schlechten Lichtbedingungen bessere Leistungen bringt, ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).

Abbildung 5 zeigt das SNR beider Kameras in Abhängigkeit von der Lichtstärke.

Abbildung 5: Signal-Rausch-Verhältnis der 1/4"- und 1/2"-CCD-Kameras unter schlechten Lichtbedingungen

Basierend auf dem höheren Signal-Rausch-Verhältnis des ½’’ sollten die ½’’-Kameras theoretisch unter schwacher Beleuchtung bessere Leistung bringen als die ¼’’-Kamera.

Auf den Bildern in Abbildung 2 ist ersichtlich, dass der ½’’-Sensor bei einer Belichtungszeit von 2,5 ms die Form der Zeichen bei allen Belichtungszeiten beibehält, während es der ¼’’-Sensor schwierig macht, zwischen den einzelnen Zeichen zu unterscheiden. Der ½’’-Sensor bringt daher bessere Leistungen und die Praxis stimmt mit der Theorie überein.

FLIR hat eine umfangreiche Kamerastudie durchgeführt und die EMVA 1288-Bildqualitätsergebnisse veröffentlicht. Diese Informationen können genutzt werden, um die Leistung verschiedener Kameramodelle miteinander zu vergleichen. Da die Kamera-Implementierung die Bildqualität beeinflusst, kann diese Studie grundsätzlich immer dann hilfreich sein, wenn es darum geht, zwei Kameras mit Sensoren zu vergleichen, die in dem Dokument genannt sind.

FLIR bietet spezifische Kameravergleichsdokumente. Bitte wenden Sie sich an [email protected], um einen Vergleich zwischen FLIRs Kameramodellen anzufordern.

Es ist zu beachten, dass die in diesem White Paper beschriebene Methode nützlich ist, um eine allgemeine Vorstellung davon zu bekommen, wie gut eine Kamera im Vergleich zu einer anderen funktioniert. Diese Methode kann helfen, Kameras auszuschließen, die die geforderte Leistung nicht verbessern können, aber die endgültige Leistungsprüfung der Kamera muss im tatsächlichen Einsatzgebiet erfolgen.

Vergleich eines traditionellen CCD- und eines modernen CMOS-Sensors

Nun werden wir die Leistung eines traditionellen CCD-Sensors der eines modernen CMOS-Sensors gegenüberstellen. Es handelt sich um einen Schauplatz mit schwacher Beleuchtung und einer Vielzahl an Lichtverhältnissen.

Im vorherigen Abschnitt haben wir gezeigt, dass eine Kamera mit dem Sony ICX414, einem ½’’-VGA-CCD, unter schwacher Beleuchtung bessere Leistung bringt als eine Kamera mit dem Sony ICX618, einem ¼’’-VGA-CCD. Wir werden jetzt den ½’’-VGA-CCD mit dem neuen Sony Pregius IMX249, 1/1,2" 2,3Mpix Global Shutter CMOS-Sensor vergleichen.

Auf den ersten Blick könnte das wie ein Vergleich zwischen "Äpfeln und Birnen" erscheinen. Der Preis der Kameras mit diesen zwei Sensoren liegt jedoch vergleichbar bei etwa 400 €, eine VGA Region of Interest in der CMOS-Kamera ist tatsächlich näher an der optischen Größe der ¼’’-Kamera und die Bildraten sind sich bei der VGA-Auflösung ebenfalls ähnlich.

Die EMVA 1288-Daten für die Kameras zeigen, dass der IMX249 CMOS-Sensor über eine bedeutend bessere Quanteneffizienz, geringeres Rauschen und eine höhere Sättigungskapazität verfügt. Andererseits verfügt der ICX414 CCD-Sensor über größere Pixel, was sich im Beispiel des vorherigen Artikels als wesentlicher Parameter erwies.

Abbildung 6: Signal-Rausch-Verhältnis von ICX414 CCD- und IMX249 CMOS-Sensoren bei schwacher Beleuchtung

Abbildung 7: Erhaltene Ergebnisse von den ICX414 CCD- und IMX249 CMOS-Sensoren bei unterschiedlichen Belichtungszeiten

Der interessantere Vergleich ergibt sich durch die Unterschiede in der Sättigungskapazität zwischen den beiden Sensoren bei höheren Lichtintensitäten. Abbildung 8 zeigt das Signal in Abhängigkeit von der Lichtstärke in der gesamten Breite der Lichtintensitäten. In der Grafik ist zu sehen, dass der ICX414 CCD-Sensor die Sättigungskapazität bei etwa 700 Photonen/µm2 erreicht, während der IMX249 CMOS-Sensor eine Sättigungskapazität von über 1200 Photonen/µm2 erreicht.

Abbildung 8: Signal erzeugt durch den ICX414 CCD- und den IMX249 CMOS-Sensor in Abhängigkeit von der Lichtstärke

Es kann zunächst der Schluss gezogen werden, dass das vom ICX414 CCD-Sensor erzeugte Bild heller sein wird, als das vom IMX249 CMOS-Sensor erzeugte Bild. Wenn dies aus der Grafik nicht offensichtlich ist, sehen Sie sich das Bild an, das bei etwa 700 Photonen/µm2 erzeugt werden würde. Im Fall des ICX414 CCD-Sensors sollte das Bild die höchste Graustufe aufweisen, höchstwahrscheinlich gesättigt, während der IMX249 CMOS-Sensor ein Bild erzeugen würde, das nur wenig über 50% der maximalen Helligkeit liegt. Diese Beobachtung ist wichtig, da ein naiver Ansatz zur Bewertung der Kameraempfindlichkeit darin besteht, die Helligkeit des Bildes zu bewerten. In anderen Worten, es wird angenommen, dass ein helleres Bild von einer Kamera mit besserer Leistung kommt. Das ist jedoch nicht wahr und in diesem Beispiel ist es sogar umgekehrt. Die Kamera, welche die dunkleren Bilder erzeugt, bringt in Wirklichkeit die bessere Bildqualität.

Abbildung 9: Mit den ICX414 CCD- und IMX249 CMOS-Sensoren unter schwierigen Lichtverhältnissen erhaltene Ergebnisse

Die zweite Beobachtung ist, dass der IMX249 CMOS-Sensor Bilder erzeugen wird, die für die Bildverarbeitung in einem größeren Bereich von Lichtverhältnissen nützlich sind. Abbildung 9 zeigt die gleiche Szene, aufgenommen von den beiden Kameras. Es ist zu beachten, dass der dunklere Teil der Bilder für Anzeigezwecke verbessert wurde, die zugrunde liegenden Daten jedoch nicht verändert wurden. In den Bildern ist zu sehen, dass der ICX414 CCD in den hellen Bereichen der Szene gesättigter ist, während gleichzeitig in den dunklen Bereichen das Rauschen zu stark ist, um die Zeichen lesen zu können. Im Gegensatz dazu erzeugt der IMX249 CMOS-Sensor lesbare Zeichen in den hellen und dunklen Bereichen der Szene.

Schließlich können wir feststellen, dass die jüngste Global-Shutter-CMOS-Technologie zu einer echten Alternative zu CCDs in der maschinellen Bildverarbeitung wird. Die Sensoren sind nicht nur günstiger und verfügen über höhere Bildraten bei vergleichbarer Auflösung ohne Artefakte wie Smear und Blooming, sondern sie übertreffen auch die Bildqualität von CCDs.

Vergleich der Sony Pregius-Sensorgenerationen

Wie bereits im vorherigen Abschnitt beschrieben, hat die Sensorgröße einen großen Einfluss auf die Sensorleistung, da größere Pixel eine höhere maximale Anzahl von Photonen sammeln können, und auch insgesamt mehr Photonen unter den gleichen Lichtbedingungen gesammelt werden können. Der Nachteil einer größeren Pixelgröße besteht darin, dass der Sensor größer sein muss, um eine bestimmte Auflösung zu erreichen, was die Kosten des Sensors erhöht. Die Abbildung unten zeigt, wie sich die Pixelgröße zwischen den verschiedenen Generationen der Sony Pregius-Sensoren verändert hat.

Abbildung 10: Pixelgrößenunterschiede zwischen verschiedenen Generationen von Sony Pregius-Sensoren

Trotz des Abwärtstrends bei der Pixelgröße (abgesehen von der 3. Generation des Sensors) stieg die Abbildungsleistung des Sensors, mit Ausnahme der Sensorkapazität, mit jeder Generation. Ein wesentlicher Grund für die verbesserte Abbildungsleistung ist das geringe zeitliche Dunkelrauschen des Sensors ab der 2. Generation. Die folgende Abbildung zeigt, wie sich das zeitliche Dunkelrauschen des Sensors durch die verschiedenen Generationen des Pregius-Sensors entwickelt hat.

Abbildung 11: Der Pregius S weist ein geringes Ausleserauschen auf
Um einen vollständigen Überblick über die Abbildungsleistung der Sensoren zu erhalten, entnehmen Sie bitte der folgenden Tabelle die Spezifikationen repräsentativer Sensoren der einzelnen Pregius-Generationen.

Bei Betrachtung der obigen Tabelle lässt sich feststellen, dass trotz der kleinsten Pixelgröße die Abbildungsleistung des Pregius S-Sensors mit den Sensoren der 2. und 3. Generation vergleichbar ist. Dies ist auf die rückwärtige Belichtung des Sensors zurückzuführen, die einen größeren Eintrittswinkel für das Photon ermöglicht, was dazu beiträgt, mehr Licht auf das Pixel zu bringen.

Abbildung 12: BSI-Sensoren kehren das traditionelle Design des Sensors mit Frontalbelichtung um, wodurch die Photonen leichter in die lichtempfindliche Photodiode jedes Pixels gelangen können

Dieses neue Sensordesign ermöglicht es der Pregius S-Sensorfamilie, die Abbildungsleistung der vorherigen Generationen beizubehalten und gleichzeitig die kleinstmöglichen Pixel zu verwenden, was zu höher auflösenden Sensoren zu relativ niedrigen Preisen führt.

Zusammenfassung

In diesem White Paper haben wir die wesentlichen Konzepte zur Bewertung der Kameraleistung kennengelernt. Wir haben den EMVA1288-Standard vorgestellt und die Ergebnisse angewandt, um die Kameraleistung unter verschiedenen Lichtverhältnissen zu vergleichen.  Es gibt immer noch viele weitere Aspekte der Kameraleistung, die berücksichtigt werden können, wenn man Kameras bewertet. Die Quanteneffizienz verändert sich zum Beispiel dramatisch bei unterschiedlichen Wellenlängen. Entsprechend kann eine Kamera, die bei 525nm gute Leistungen erzielt, möglicherweise nicht einmal ansatzweise solche Leistungen erzielen, wenn sich die Lichtquelle in der Nähe von Infrarot-Frequenzen (NIR) bewegt. Ebenso müssen lange Belichtungszeiten, wie sie bei Fluoreszenz und astronomischer Bildgebung üblich sind, die Auswirkungen des Dunkelstroms berücksichtigen, eine Art von Rauschen, das bei extrem niedrigen Lichtstärken wichtig ist.

Die richtige Kamera basierend auf Bildqualitätsmerkmalen auszuwählen, ist nicht einfach. Wir hoffen jedoch, dass Ihnen dieses White Paper ein wenig dabei geholfen hat, dieses faszinierende und komplexe Thema besser zu verstehen.

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