圖4顯示，1/2''傳感器比1/4''傳感器在略微低的光密度下達到了絕對靈敏度閾值。要進一步確定哪款相機在低光應用中具有更好的表現，還需要進行一項更重要的測量便是信噪比（SNR）。

圖5顯示了兩款相機的SNR與光密度之間的函數關系。

圖5：低光水平下1/4''和1/2''CCD相機的信噪比。

Signal noise ratio（linear scale）——信噪比（線性）
Light density——光密度（光子數/μm2）
1/2'' Camera signal to noise——1/2''相機的信噪比
1/4'' Camera signal to noise——1/4''相機的信噪比

鑒于1/2''傳感器在低光水平下具有更高的信噪比，因此理論上認為1/2''相機應該比1/4''相機在低光水平下具有更好的表現。

從圖2中的圖像可以看出，在2.5 ms的曝光時間內，1/2''傳感器在所有曝光時間內捕捉到了字符的形狀；而1/4''傳感器在該曝光時間內所拍攝到的字符卻難以區分。因此1/2''傳感器具有更好的表現，并且實際結果與理論相符。

Point Grey已經做了廣泛的相機研究工作，并且已經出版了EMVA 1288成像性能結果。該信息可用于比較不同相機型號的性能。相機的實施確實會影響成像性能，在比較兩款文檔中包括傳感器的相機時，這項研究通常會非常有用。

應當指出的是，在總體了解一臺相機將比另一臺相機如何有更好的表現時，本白皮書中所概述的方法是非常有用的。這種方法可以幫助排除那些不大可能提高所需性能的相機；然而，相機性能的最終測試將在實際應用中進行。

傳統CCD傳感器和現代CMOS傳感器的對比

現在，我們將在低光成像條件下和具有廣泛照明條件的場景下，比較傳統CCD傳感器和現代CMOS傳感器的性能。

上文中已經顯示，采用Sony ICX414 1/2'' VGA CCD的相機，在低光條件下比采用Sony ICX618 1/4'' VGA CCD的相機具有更好的表現。現在，我們將1/2'' VGA CCD與最新的Sony Pregius IMX249 1/1.2'' 230萬像素全局快門CMOS傳感器相比較。

采用這兩款傳感器的相機成本相當，大約為400歐元；CMOS相機中的VGA感興趣區域，實際上接近于1/4''相機的光學尺寸；在VGA分辨率下，兩款相機的幀率也類似。

相機的EMVA 1288數據顯示，IMX249 CMOS傳感器明顯具有更好的量子效率、更低的噪聲和更高的飽和容量。另一方面，ICX414 CCD傳感器具有更大的像素，這是在上文提及的例子中的關鍵參數。

相機

傳感器

像素尺寸(μm)

量子效率（%）

顳暗噪聲（e-）

飽和容量（e-）

?

1/2" CCD 相機
(BFLY-PGE-03S3M-C)

ICX414

9.9

39

19.43

25,949

?

1/1.2" CMOS 相機(BFLY-PGE-23S6M-C)

IMX249

5.86

80

7.11

33,105

?

圖6：在低光條件下，ICX414 CCD傳感器和IMX249 CMOS傳感器的信噪比。

IMX249 CMOS sensor……——IMX249 CMOS傳感器將在更低的光密度下達到絕對靈敏度閾值
Signal noise ratio（linear scale）——信噪比（線性）
Light density——光密度（光子數/μm2）

圖7：在不同的曝光時間下，從ICX414 CCD傳感器和IMX249 CMOS傳感器所獲得的拍攝結果。

At 2.5 ms shutter——曝光時間2.5 ms
At 1 ms shutter——曝光時間1 ms

由于這兩款傳感器的飽和容量之間存在差異，因此更高的光強度下的比較更為有趣。圖8顯示了在整個光強范圍內，信號都是光強的函數。從圖8中可以觀察到，ICX414 CCD傳感器在光密度約為700個光子/μm2時達到飽和容量；而IMX249 CMOS傳感器則在光密度超過1200個光子/μm2后才達到飽和。

圖8：ICX414 CCD和IMX249 CMOS傳感器產生的信號是光密度的一個函數。

Signal——信號值
Light density——光密度（光子數/μm2）
Saturation capacity——飽和容量

可以得出的第一個結論是，ICX414 CCD傳感器產生的圖像，比IMX249 CMOS傳感器產生的圖像更亮。如果這一點不能從圖中明顯地觀察到，可以想象一下，圖像大約是在700個光子/μm2的光密度下產生的。在采用ICX414 CCD傳感器的情況下，圖像應該在最高灰度級，很可能是飽和的；而IMX249 CMOS傳感器產生的圖像，其亮度剛好超過其最大亮度的50％。這個結論非常有意義，因為評估相機靈敏度的一種簡易方法便是觀察圖像的亮度。換句話說，這種簡易方法假設圖像的亮度越高，拍攝相機的性能越好。然而，這一觀點并不正確，在上面這個例子中，結論實際上恰恰相反：產生較暗圖像的相機，實際上具有更好的性能。

圖9：在光線不佳的條件下，ICX414 CCD和IMX249 CMOS傳感器所產生的圖像效果。

第二個結論是，IMX249 CMOS傳感器能在廣泛的照明條件下，產生更適合用于進一步處理的圖像。圖9中顯示了兩款相機對相同場景的成像結果。應當指出的是，圖像的更暗部分已經為顯示目的進行了增強，但并未修改基礎數據。從圖9中可以看到，ICX414 CCD在場景的亮區達到飽和，同時在暗區存在大量噪聲，使得字符無法清晰可辨。相比之下，IMX249 CMOS傳感器在場景的亮區和暗區都產生了清晰可見的字符。
最后，我們可以得出結論：在機器視覺應用中，最新的全局快門CMOS技術正在成為CCD技術的一種可行替代選擇。相比于CCD傳感器，CMOS傳感器不僅價格更便宜、幀率更高、分辨率相當、并且沒有圖像拖尾和光暈，而且在成像性能方面，CMOS傳感器正在開始超越CCD。
結論

在本白皮書中，我們了解到了在評估相機性能時所使用的幾個關鍵概念，介紹了EMVA1288標準、并將結果應用于各種照明條件下的相機性能比較。在評估相機性能時，還有很多方面需要考慮。例如，光源處于不同波段，量子效率會隨之急劇變化，因此一臺在525nm光源條件下表現良好的相機，當光源轉到近紅外（NIR）波段時，并不一定能有同樣良好的性能表現。類似地，熒光成像和天文成像中常常使用長曝光時間，這種情況下需要考慮暗電流，在低光照明條件下，這是一種具有重要影響的類型噪聲。