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EMVA1288-3.1标准中文版.pdf

发布时间：2022-06-28 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.35M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    EMVA1288 标准 图像传感器与相机性能测试标准 (Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras) R3.1 版 2016 年 12 月 30 日 欧洲机器视觉协会（EMVA）发布 www.emva.org 中国机器视觉联盟（CMVU）译 2017 年 8 月 25 日
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras 译者序 相机与图像传感器有很多传统的测试方法或一些专门为某种性能测试而制定的标准，但 这些标准有些已经跟不上数字成像的发展步伐，而且其中的一部分也不适合机器视觉（MV） 行业使用。另外，由于没有一个统一的标准，各大图像传感器与相机生产商就都采用各自的 性能测试标准，这些标准对性能参数的定义、所使用的单位、测试方法与测试条件往往各不 相同，专业的 MV 工程师甚至相机研发人员都很难根据这些数据表来对不同厂商的相机性 能进行客观的比较，而用户则更难根据数据表来确定哪一款相机的性能更适合自己使用。 为了解决此问题，欧洲机器视觉协会（EMVA）于 2004 年 2 月成立了由 Awaiba 与 Basler 牵头，主要的图像传感器与相机生产商均参与其中的 EMVA1288 标准工作组，目标是建立 一个统一的适合 MV 行业的相机与图像传感器性能测试标准，从而“让机器视觉工程师活 得更轻松一点”（Make the MV Engineers lives easier）。经过一年半的研究准备，EMVA 于 2005 年 8 月正式发布了 EMVA1288 A1.0 版，相机性能测试终于有了一个统一的标准。 十多年来，EMVA1288 标准不断地发展完善，目前已经更新到了 R3.1 版（2016 年 12 月发布）。该标准现在已经被国外所有主流的相机与图像传感器生产商所承认，也正被大量 的行业用户所接受和使用，在国内也正被越来越多的相机生产商及行业用户所认可与使用。 今天，EMVA1288 R3.1 标准中文版终于在国内正式面世了。专家介绍，最新的EMVA1288 R3.1 标准更规范、更严谨、更科学。 CMVU 决定把这个标准翻译成中文版用了近两年的时间，在这期间，行业专家给予了 有力指导，行业同仁们给予了大力支持配合。通过大家的共同努力，终于如期完成了标准的 翻译工作。同时，我们要看到国外的相机测试做得非常专业，一份按照 EMVA1288 标准做 的相机性能测试报告通常都有十几甚至几十页，各类数据图表非常详实规范。真诚希望中国 的相机制造商能够按照并珍惜这份规范的专业性标准，能够把我们国产的相机水平整体提高 到一个新的台阶，CMVU 会进一步努力把该标准向相关政府部门申报设立为“国家标准”。 在此，也特别提醒大家，相关专家在翻译与审校过程中发现有个别地方英文原版有些小 的错误，专家在译文中进行了更正并以脚注方式进行了说明，供读者参考。整个译文可能还 会出现小的错漏之处，欢迎大家批评指正。 鸣谢翻译及审校人员 翻译： 徐英莹 副研究员（中国计量科学研究院），将 EMVA1288 R3.0 版翻译成中文； 审校 1： 郝志航 教授（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）； 审校 2： 庄阿伟 总工程师（福州鑫图光电有限公司 www.tucsen.com）； 谢 森 相机业务 SE 总工程师（凌云光技术集团有限责任公司 www.lusterinc.com）； 于 渝 总工程师（重庆港宇高科技开发有限公司 www.camyu.net）； 审校 3： 冯 兵 博士（西安远望图像技术有限公司 www.LookLong.com），2009 年开发出 国内第一套完整的 EMVA1288 测试平台，并成功应用于航天成像器件的筛选中。 对 EMVA1288 R3.0 中文版进行第 3 次审校并升级到最新的 R3.1 版。 错漏之处请回复至：yxj@china-image.cn 2 / 45
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras 目 录 1 概述与范围 ....................................................................................................................... 6 2 灵敏度、线性度、噪声 ................................................................................................... 7 2.1 线性信号模型 ....................................................................................................... 7 2.2 噪声模型 ............................................................................................................... 9 2.3 信噪比 ................................................................................................................... 9 2.4 信号饱和与绝对灵敏度阈值 ............................................................................. 10 3 暗电流 ............................................................................................................................. 12 3.1 平均值和方差 ..................................................................................................... 12 3.2 温度依赖性 ......................................................................................................... 12 4 空间非均匀性和缺陷像元 ............................................................................................. 12 4.1 空域方差，DSNU，PRNU .................................................................................. 13 4.2 非均匀性的类型 ................................................................................................. 13 4.3 缺陷像元 ............................................................................................................. 14 4.3.1 对数直方图 ................................................................................................ 14 4.3.2 累积直方图 ................................................................................................ 15 4.4 高通滤波 ............................................................................................................. 15 5 测量设备和方法概述 ..................................................................................................... 16 6 灵敏度、线性度和噪声的测量方法 ............................................................................. 17 6.1 光源的几何一致性 ............................................................................................. 17 6.2 光源的光谱特性 ................................................................................................. 18 6.3 辐射量变化 ......................................................................................................... 18 6.4 辐射量的标定 ..................................................................................................... 19 6.5 线性度和灵敏度的测量条件 ............................................................................. 19 6.6 基于光子转移方法的测量评估 ......................................................................... 20 6.7 线性度的评估 ..................................................................................................... 24 7 暗电流的测量方法 ......................................................................................................... 26 7.1 一定温度下暗电流的评估 ................................................................................. 26 7.2 不同温度下暗电流的评估 ................................................................................. 27 3 / 45
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras 8 空间非均匀性和缺陷像素的检测方法 ......................................................................... 27 8.1 空域噪声标准差、DSNU、PRNU 及总信噪比 ................................................. 28 8.2 水平和垂直频谱 ................................................................................................. 29 8.3 水平与垂直断面图 ............................................................................................. 31 8.4 缺陷像元特征评估 ............................................................................................. 33 9 光谱灵敏度的测试方法 ................................................................................................. 36 9.1 光谱光源设置 ..................................................................................................... 36 9.2 测试条件 ............................................................................................................. 36 9.3 校准 ..................................................................................................................... 37 9.4 评价 ..................................................................................................................... 37 10 测试结果发布 ............................................................................................................. 39 10.1 基本信息 ............................................................................................................. 39 10.2 EMVA 1288 数据手册 ........................................................................................ 39 附录 A 文献 ........................................................................................................................... 41 附录 B 符号说明 ................................................................................................................... 42 附录 C 相对于 A2.01 版的修改说明 .................................................................................... 43 C.1 扩展的特性 ............................................................................................................. 43 C.2 扩展了改变光照的方法 .......................................................................................... 43 C.3 测试条件与流程的修改 .......................................................................................... 43 C.4 对于最小时域噪声测量，引入了量化噪声 .......................................................... 44 C.5 高通滤波的非均匀性测量 ...................................................................................... 44 附录 D 相对于 R3.0 版的修改说明 ...................................................................................... 44 D.1 变化 ......................................................................................................................... 44 D.2 增加的功能 ............................................................................................................. 45 附录 E 贡献者名单 ................................................................................................................ 45 4 / 45
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras Acknowledgements（致谢，译文略） EMVA 1288 is an initiative driven by the industry and living from the personal initiative of the supporting companies and institutions delegates as well as from the support of these organizations. Thanks to this generosity the presented document can be provided free of charge to the users of this standard. EMVA thanks those contributors (see Appendix E) in the name of the whole vision community. Rights, Trademarks, and Licenses（版权、商标及许可证，译文略） The European Machine Vision Association owns the ”EMVA, standard 1288 compliant” logo. Any company can obtain a license to use the ”EMVA standard 1288 compliant” logo, free of charge, with product specifications measured and presented according to the definitions in EMVA standard 1288. The licensee guarantees that he meets the terms of use in the relevant release of EMVA standard 1288. Licensed users will self-certify compliance of their measurement setup, computation and representation with which the “EMVA standard 1288 compliant” logo is used. The licensee has to check regularly compliance with the relevant release of EMVA standard 1288. If you publish EMVA standard 1288 compliant data or provide them to your customer or any third party you have to provide the full data sheet. An EMVA 1288 compliant data sheet must contain all mandatory measurements and graphs (Table 1). If you publish datasheets of sensors or cameras and include the EMVA 1288 logo on them, it is mandatory that you provide the EMVA 1288 summary data sheet (see Section 10.2). EMVA will not be liable for specifications not compliant with the standard and damage resulting there from. EMVA keeps the right to withdraw the granted license any time and without giving reasons. About this Standard（关于本标准，译文略） EMVA has started the initiative to define a unified method to measure, compute and present specification parameters and characterization data for cameras and image sensors used for machine vision applications. The standard does not define what nature of data should be disclosed. It is up to the component manufacturer to decide if he wishes to publish typical data, data of an individual component, guaranteed data, or even guaranteed performance over life time of the component. However the component manufacturer shall clearly indicate what the nature of the presented data is. The standard is organized in different sections, each addressing a group of specification parameters, assuming a certain physical behavior of the sensor or camera under certain boundary conditions. Additional sections covering more parameters and a wider range of sensor and camera products will be added successively. There are compulsory sections, of which all measurements must be made and of which all required data and graphics must be included in a datasheet using the EMVA1288 logo. Further there are optional sections which may be skipped for a component where the respective data is not relevant or the mathematical model is not applicable. Each datasheet shall clearly indicate which sections of the EMVA1288 standard are enclosed. It may be necessary for the manufacturer to indicate additional, component specific information, not defined in the standard, to fully describe the performance of image sensor or camera products, or to describe physical behavior not covered by the mathematical models of the standard. It is possible in accordance with the EMVA1288 standard to include such data in the same datasheet. However the data obtained by procedures not described in the current release of the EMVA1288 standard must be clearly designated and grouped in a separate section. It is not permitted to use parameter designations defined in any of the EMVA1288 modules for such additional information not acquired or presented according the EMVA1288 procedures. The standard is intended to provide a concise definition and clear description of the measurement process and to benefit the Automated Vision Industry by providing fast, comprehensive and consistent access to specification information for cameras and sensors. It will be particularly beneficial for those who wish to compare cameras or who wish to calculate system performance based on the performance specifications of an image sensor or a camera. 5 / 45
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras 1 概述与范围 本标准涵盖了具有线性光响应特性的单色与彩色数码相机，面扫描与线扫描 相机均可。配有帧（图像）采集卡的模拟相机以及作为相机一部分的图像传感器 均可使用本标准。除非有特殊说明，本标准中“相机”一词泛指以上各类产品。 本标准用四个章节对描述相机与图像传感器特性的数学模型和各类参数进 行了叙述，其中： 第 2 章：单色与彩色相机的线性度、灵敏度和噪声， 第 3 章：暗电流， 第 4 章：传感器阵列的非均匀性与缺陷像元的特征。 测量设备和测量方法共分为五章。第 5 章是测量设备的总述，第 6~9 章详细 描述了测量方法： 第 6 章：线性度、灵敏度和噪声， 第 7 章：暗电流， 第 8 章：传感器阵列的非均匀性与缺陷像元的特性， 第 9 章：光谱灵敏度。 为了不妨碍技术进步以及实施者的创造性，本标准对装置的细节不做规定， 但测试装置必须符合本标准规定的具体特性。最后，第 10 章描述了如何生成符 合 EMVA 1288 标准的数据表。附录 B 为符号说明，附录 C 为对版本 R2.0 的修 订说明，附录 D 为对版本 R3.0 的修订说明，附录 E 为本标准贡献者名单。 必须注意，本标准只适用于符合本标准数学模型的测试相机，如果不符合上 述条件，则标准不适用，通过测试相机计算得到的参数毫无意义。目前，本标准 的适用范围不包括电子倍增相机（EMCCD，[2,3]）和对深紫外线灵敏的相机， 这两种相机具有每吸收一个光子产生多于一个电子的特性[7]。 本标准的一般假设包括： 1. 一个像元所收集的光子数取决于辐照度 E（单位 W/m2）和曝光时间 texp （单位：s）的乘积，即取决于在传感器表面的辐射能量密度 Etexp； 2. 传感器是线性的：即数字信号 y 随所接收光子数量的增加而线性增加； 3. 在时间与空间上，噪声源都是广义平稳和白色的。描述噪声的参数在时 间与空间上具有不变性； 4. 只有总量子效率与波长相关，由不同波长的光产生的效应可以线性叠加； 6 / 45
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras 5. 只有暗电流与温度相关。 上述假设用于描述理想相机与传感器的特性。但是实际传感器与理想传感器 多少会有差异。只要差异在允许范围内，本标准仍然适用，并且本标准的任务之 一就是描述实际传感器与标准传感器的差异程度。但是，如果两者偏差过大，将 导致参数无法确定或者结果无意义，该情况下本标准无法适用。此外，本标准亦 无法适用于明显与上述任一假设相悖的传感器，例如：响应曲线呈对数而非线性 的相机不适用于本标准。 图 1：相机的物理模型(a)与单像元数学模型(b)。用逗号分开的物理量分别是其 均值与方差；待测的未知量以红色标记。 2 灵敏度、线性度、噪声 本章介绍了如何定义图像传感器或相机的灵敏度、线性度和时域噪声[4-6, 9]。 2.1 线性信号模型 如图 1 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，此信号经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。其中， 一部分入射光子被吸收并转换为一定电荷量的电子1，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： ()= (1) 本标准定义的总量子效率对应的是单个像元的总面积，而不仅仅是感光面积。 所以，该定义包含了填充因子和微透镜的影响。如公式(1)所示，量子效率与照 1 CMOS 的工作机理与 CCD 不完全相同，但其数学模型与 CCD 是一样的。 7 / 45
    图像传感器与相机性能测试标准 R3.1 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras Js。则有： 射到像元上光子的波长有关。 =ℎ = 在曝光时间内，入射到面积为 A 的像元上的平均光子数由下式计算，其 中，E 为传感器表面的辐照度，单位为W/m，hv 为单光子能量。 ℎ⁄ (2) 代入光的速度=2.99792458×10m/s 和普朗克常量ℎ=6.6260755×10 [photons]= 5.034∙10∙[m]∙[s]∙[m]∙[Wm] (3) [photons]= 50.34∙[m]∙[ms]∙[m]∙[Wcm] (4) 这些公式将辐射计测得的辐照度（单位为 W/cm）转化为计算图像传感器特性 或者应用图像传感器常用的单位： 所需要的光子通量。 在相机的电子学系统中，通过光子辐射而累计的电荷，首先转化为电压值， 然后放大，最后通过模数转换器（ADC）转换为数字信号 y。假设整个过程是线 性的，这个过程就可以通过一个量 K 来描述，K 值称为全局系统增益（单位为 DN/e，即单位电荷转换输出的灰度值2）。因此，输出的平均灰度值可表示为 =(+) 或 =.+ (5) 其中，是在没有光照情况下生成的电子数，该值最终转变成零辐照下的平 均暗信号.=（单位是 DN）。注意，暗信号一般取决于其他参数，特 通过公式(1)、(2)、(5)，可以得到平均灰度值与在曝光时间内辐射到像元 =.+=.+ℎ (6) 别是曝光时间和环境温度（见第 3 章）。 上的光子数量的线性关系。 通过计算传感器输出的灰度平均值与入射到像元的平均光子数之间的关系， 2 DN 是一个无量纲单位，指数字图像的灰度值。 8 / 45
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