容易影響圖像質量的圖像傳感器、鏡頭、信號處理等問題

1.?與圖像傳感器相關的因素

1.1?混疊現象（摩爾效應）

對圖片進行離散采樣并且采樣頻率低于目標空間頻率時，就會產生混疊現象。此時可以觀察到條狀或者帶狀的圖形（稱為摩爾效應），這個圖形類似于當兩個紡織物前后交疊時的現象。

混疊現象在圖像傳感器的光電轉換中有最重要的影響，這是因為：

（a）拍攝圖片后的處理產生的莫爾條紋混疊現象，可以通過恰當的處理來避免。但是，在圖像傳感器采樣中出現的沒有辦法消除。

（b）對通常使用的帶有色彩濾波器的單色圖像傳感器，混疊現象經常以顏色的形式出現，因為色彩采樣的頻率是低于照度采樣頻率的，這是導致圖像質量變差的重要因素。

色彩摩爾效應常常當作檢查圖像質量的標準，當目標中有高頻分量時這種效應經常會出現。色彩摩爾效應有時體現為彩色的邊界，即一個黑白圖案的邊緣處出現了錯誤的彩色。

當對一個高頻黑白目標拍攝時，通過檢查誤差色彩的產生來評估色彩摩爾效應。最常使用的圖表是CZP（圓形波帶板）圖表，這是一個二維頻率掃描圖表，它是設計和估量光學低通濾波器的一個重要的工具。

1.2?拖尾、圖像殘留

圖像在傳感器輸出端保持不變的現象，當持續時間較短時，這種現象稱為拖尾；當持續時間較長或永久存在時，這種現象稱為圖像殘留。

固態圖像傳感器通常不會出現圖像殘留。然而，當傳輸效率不夠高或者像素的復位電荷不足時，拖尾有時會出現。

1.3?暗電流

圖像傳感器是一種半導體器件，當它沒有受到光照時，也會因為熱效應造成泄露電荷，稱為暗電流。通過減去黑像素（不受光照產生的像素）的輸出值可以對空間均勻的暗電流進行消除。但是，不同像素中的暗電流是不同的，并且會給圖像引入噪聲，而且電荷轉移隧道中的電荷累積部分也會產生暗電流。當在像素電荷轉移隧道中的電荷轉移的必要時間不恒定時，如電荷轉移被暫停或者電荷被強制停滯時，暗電流就可能稱為一個噪聲源。

噪聲級別是和下面兩個因素成比例：①像素中產生噪聲的累積時間；②轉移隧道中產生噪聲的等待時間。

在實際應用中，暗電流強烈依賴于溫度，這方面的相關性也需要考慮。

1.4?像素缺陷

在圖像傳感器的制造過程中一些雜質的引入等原因，一些像素具有過大的暗電流、讀出信號的問題或者過低的像素敏感度等缺陷，這些像素輸出固定的白色或黑色信號稱為像素缺陷。

像素缺陷經常被相鄰的像素數據所取代來避免它出現在相機的輸出中。但是，也有可能因為過多的像素缺陷而影響圖像的質量。

1.5?高光溢出/漏光

由于強光入射到圖像傳感器的表面，常會產生一些不正常的信號，當一個像素的電荷處于飽和狀態或者泄露到相鄰像素中，稱為高光溢出（blooming）。在CCD圖像傳感器中，當長波光照射到硅基上并穿透時，稱為漏光（smear）。

1.6?白電平限幅/缺色/單調黑色

白電平限幅、缺色和單調黑色區域經常被觀察到，一個原因是由于圖像傳感器沒有足夠的動態范圍，另一個原因是圖像傳感器的操作點并不能被很好地控制住。

當一個圖像傳感器記錄一個擁有比傳感器飽和值更高光照度的明亮區域時，白電平限幅就會出現。由于具有飽和值的信號，飽和區域將會被記下，這會導致出現一個完全單調的白色區域。

當圖像傳感器飽和區域的輸出色彩信號只有一種或者兩種色彩通道時，缺色現象就會出現，這將導致目標區域對應的色彩平衡度嚴重變差，從而影響圖像質量。

單調黑色會丟失由于圖像傳感器動態范圍限制的細節，在重現圖像時會導致灰度太低而在視覺上無法辨別，那么這個區域就會被視為單調黑色區域。導致單調黑色的首要原因是圖像傳感器和圖片播放系統灰度信息的缺失。

1.7?空間隨機噪聲/固定模式噪聲

隨機噪聲，毫無規律地分布在整個圖像中，其對圖像質量的影響并不大，在一定程度上是可以接受的。

固定模式噪聲，如白色條紋噪聲和飛入噪聲，更容易被檢測到，也更影響圖像質量。

1.8?熱噪聲/閃爍噪聲

在圖像傳感器的放大器處理信號中和用于接收傳感器輸出的預處理電路中加入了噪聲，這種噪聲稱為熱噪聲。熱噪聲可以通過降溫來減少，但不能完全消除。

隨著像素尺寸的不斷變小，量子效應也變得不可忽略，浙江導致圖像傳感器的信號大小會以不確定的量子效應進行波動。這意味著即使目標圖像均勻不變時，輸出信號也會在時間和空間上進行隨機的波動。閃爍噪聲的大小與光子數量的均方根成比例，因此，信號和閃爍噪聲的比值與信號值的均方根成比例。

2.?與鏡頭相關的因素

2.1?炫光/重影

炫光和重影是由于照射到圖像傳感器表面的雜散光引起的圖像干擾，這主要是由于鏡頭表面和鏡筒內部反射引起的。

2.2?畸變

實際的鏡頭都或多或少有畸變，這將會改變物像的相似性。在固定焦距的鏡頭，畸變是固定的；對于變焦鏡頭，畸變在不同焦距下呈現不同的情況。對于一般情況，畸變越小越好。

2.3?色差

鏡頭針對不同的波長的光有不同的折射率，這導致出現色彩。在一個鏡頭中，可以通過多個鏡片的設計來校正像差。

2.4?景深

拍照的功能是將實際的三維物體轉換為圖片上的二維物體。在這個轉換過程中，處于鏡頭焦距位置的點會以最佳分辨率被記錄下來，而不在焦距上的點會模糊記錄，并且離焦點距離越大越模糊。景深是保證模糊度處于可以接受范圍內的距離。

景深大小可以用鏡頭的光學參數進行精確計算。

3.?與信號處理相關的因素

3.1?量化噪聲

數碼相機通過將光照度的值轉換成數字值來記錄物體的光照度，在這個模數轉換的過程中，模擬的光照度將會被轉換成離散的若干比特的數字值，這個模數轉換的過程不可避免地存在一些比特誤差或者量化誤差。當系統的精度很高時，量化誤差會影響圖像質量；當系統精度比較低時，它可以被忽略。

3.2?壓縮噪聲

可交換圖像文件是一種標準的文件格式，它采用的是JPEG壓縮，這是一種不可逆（有損）的壓縮，即忽略目標物體中的一部分信息來達到一個很高的壓縮比。在JPEG壓縮中提高壓縮比而增加的噪聲稱為壓縮噪聲。

3.3?電源線噪聲、時鐘噪聲

電源線噪聲和時鐘噪聲就是所謂的飛入噪聲。能量供應和時鐘脈沖信號的開關調節電路可以在AD轉換之前通過影響相機的模擬部分對圖像傳感器進行啟動。這些類型的啟動電路會在圖像中引入亮點或亮線形式的噪聲。估量這種類型的方法是在最高的圖像敏感度設置下拍攝一個黑色的物體，然后觀察圖片上的噪聲并測量它的峰值。這種噪聲是由電路產生的，所以這種噪聲的具體性質會隨著環境溫度和相機自身發熱而變化。

4.?與系統控制相關的因素

4.1?對焦誤差

即使鏡頭有理想的性能，如果對焦不準確，也不能獲得理想的圖像質量。如果目標物體在焦距之外，圖像會變模糊，并且模糊的程度會隨著與焦點偏移程度的擴大而增大，即在高頻的情況下鏡頭的響應將會變差，這將導致分辨率和銳化度的嚴重惡化。另一方面，隨著分辨率的降低，混疊也會降低。

4.2?曝光誤差

如果曝光誤差很大，那么由于信號超過了動態范圍，丟失的信息變得不可彌補，從而無法獲得理想的圖像質量。而且，曝光誤差將會增加各種噪聲，包括量化誤差。

4.3?白平衡誤差

如果有白平衡誤差，色彩就不能被精確地拍攝下來，圖像質量也會受到影響。

4.4?照明閃爍的影響

交流電導致照明光常常會有閃爍，這會對控制系統和得到的圖像造成影響，尤其是熒光燈這種類型的光源。

5.?其他因素

5.1?適應性

當處理一個物體或者一個圖像時，需要考慮人類視覺上的光適應和色彩適應。