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行业新闻

从EMVA1288标准到 中国机器视觉相机测试标准

文:福州英迪格成像技术有限公司

      庄阿伟


摘要:本文简要说明了EMVA 1288标准的特点,并主要从科学级相机的角度重点阐述了在该相机测试标准基础上对光电性能参数类、功能类以及基础类等项目进行改进、完善,从而制定中国机器视觉相机测试标准的可行性。

关键词:中国机器视觉标准 相机测试 EMVA1288


2017年10月底,中国机器视觉产业联盟(CMVU)主导完成了欧洲机器视觉标准——EMVA 1288 R3.1的中文翻译工作,这对国内的相机厂商和用户在相机基础知识和测试方面可以起到很好的参考和学习作用。作为翻译工作的参与单位,我们也意识到:一方面,中国作为机器视觉的大市场,也应该有自己行业统一的相机测试标准,以便更好地规范和促进国内机器视觉行业的发展;另外一方面,尽管EMVA 1288不断完善,但目前也仍然存在着一些不足之处。因此,在CMVU的推动下,国内也完全可以在此基础上进一步深化,制定更严谨、更实用、更广泛的测试标准,同时,在全球的机器视觉行业的标准制定方面也能更多地发出我们的声音。基于该目的,下文简单讨论了EMVA 1288标准的局限性、改进方向以及潜在的改进点以供参考。

需要说明的是,由于作者主要从事的是科学级以及高分辨率相机领域的研发工作,因此更多地是基于该方面应用进行讨论。


1.EMVA 1288的特点

1)EMVA 1288是光电性能参数的测试标准

表明一个项目指标能否作为测试或者表征标准,首要关键是能够指出该项目指标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实验分析,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。


2. EMVA 1288的局限性及改进方向

结合相机的实际应用,EMVA 1288测试与描述方式还存在着一些不足与缺陷,限于篇幅,本节只举几个要点综述如下:

1)性能参数的测试与表达无法体现相机的性能范围。

EMVA 1288规定其性能参数要在增益尽可能小的条件下测得,使不同相机能够很好地比较其最大动态范围、满井等特性。但实际上,当增益最小时,有些参数将会处于最优值,而有些处于最差值。反之,增益最大时,有些参数也会从最优值变为最差值。但在科学级相机应用中,往往却是用最大增益。如果能够增加高增益下的性能测试,将提供很好的参考依据。

例如:微光应用中尤其关心暂态暗噪声的大小,在极其弱(几个光子)的条件下暂态暗噪声甚至是最关键的指标。但实际增益越大,暂态暗噪声一般都会越小(sony的新一代高性能CMOS,低增益噪声一般在3 e,高增益将小于1 e)。这种应用中通常采用的是较高增益模式,低增益的数值意义不大。

线性误差在定量分析中非常重要,而在低增益时,由于量化误差等因素,其线性度通常不会非常好;因此,定量方面为了提升精度以及灰度值,并且利用线性度最好的响应区间,经常会采用较高增益(如图1所示)。此外,实际暂态暗噪声、光响应不均匀性等对线性度以及线性误差是有影响的。因此,线性误差也一定程度上反应了相机的综合特性。若提供了高增益的数据,也有助于用户对相机的性能判断。


3. 光电参数类的改进点

3.1 改进详例一:阐述暂态暗噪声与增益的相关性

1)背景:

物理量可以分为基本量和衍生量。EMVA 1288中,衍生量的推导过程是很详细的。但是对于基本量的描述较少。尤其对暂态暗噪声的起源与关联性未做描述,在标准中基本上认为该参数是个常数,但是暂态暗噪声实际是跟增益有关的,在应用中又尤其重要。因此,在此特别予以讨论。

2)制定原理:

暂态暗噪声与增益相关:增益越大,暂态暗噪声越小;增益越小,暂态暗噪声越大。

3.2 改进详例二:增加列暗信号不均匀性的计算

EMVA 1288标准中,有一项光电性能参数为暗信号不均匀性(DSNU),经常也称为固定图形噪声(FPN),主要描述了在无光照的情况下曝光时间为零时由于像素结构、offset以及增益的不同等因素所引起的像元之间的不均匀性。标准中规定:在排除时域噪声的情况下,通过计算像素间的方差,即可得到DSNU值。

3.3 其他光电参数类改进点

限于篇幅,不再详细举例说明。其他可能的科学级相机应用的光电参数类改进点......


4.功能类改进点

功能类项目重点描述相机所赋予用户的操作范畴以及所包含的图像处理功能等,主要由硬件与软件共同决定。

与光电性能类项目不同,功能类项目更趋向于一种定义性的范畴,只是告诉用户相机有什么功能等。当然,对于有些能够进行测试性的项目,也可以给出测试方法与表达方式。


5.基础特征类改进点

基础特征类项目主要特点是描述相机的表观结构或非功能类属性,是对光电性能类与功能类项目的补充。用户可通过该项目对相机的结构特性等进行了解。


6.总结

本文简要总结了EVMA 1288标准的特点与不足之处,并阐述了中国机器视觉行业在相机的光电性能类、功能类以及基础特征类等方面对标准进行改进、完善的可行性以及改进的方向。受限于作者的学识和研究领域,本文在光电性能类方面主要是基于科学级相机的关注点来讨论的,并不能完全匹配所有的应用领域或者相机类型,欢迎提出讨论意见并拓展到更多类别的相机应用中。期待国内在CMVU的主导和行业厂商的推动下,未来能够建立中国机器视觉相机统一的标准。

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