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白皮书 分辨率和动态范围: 两个关键的CCD参数会对成像系统的性能产生哪些影响 白皮书 分辨率和动态范围: 两个关键的CCD参数会对成像系统的性能产生哪些影响 分辨率和动态范围是评估成像色度计功能时必须考虑的两个重要参数。然而，我 们很容易对这两个参数产生误解。它们乍一看上去似乎非常简单: 分辨率是指2D 成像系统所能采集到的像素总数量，动态范围可以描述为该系统所能检测到的最 亮部分与最暗部分之间的比值。那么，很显然，相机的分辨率越高，动态范围越 大 ，图像质量则越佳。然而，事实上一些规格几乎相同的相机却具有完全不一样 的性能，这又是为什么呢？ 经过一番仔细审视后，我们发现，这些规格的细节、制造商描述规格的方式以及 不同规格之间的相互影响等因素，导致这两个参数要比上面的简单定义显得更为 复杂。本白皮书将针对这两个关键参数进行详细阐述，帮助您进一步了解它们的 作用以及它们对2D成像应用的影响。这些信息旨在帮助任何人员在评估成像色度 计时能够确定系统的真正使用性能。 了解分辨率 成像色度计的分辨率是指成像传感器 （通常为CCD）所采集到的单个水平像素 （M）与垂直像素（N）的数量总和。对于典型的高精度成像色度计而言，它们 可以通过不同的滤光片采集多个图像，模拟x分量、y分量和z分量三色源曲线, 然 后对这些图像进行处理，将它们重叠，构成一个包含x分量、y分量和z分量三色 激励值 （代表图像的每个MxN像素）的图像。高精度成像亮度计则通过y分量滤 光片采集单个灰度图像。 在有些情况下，用户会将拜耳马赛克（Bayer Mosaic）RGB相机进行标定， 用于测量颜色。但这类系统缺乏基于CIE滤光片的系统所能提供的色度测量 精度，因此只能解决一些特定的应用，如色彩均匀性等。但这类系统的确 具有速度和成本优势（因为只需采集一个图像），而且无需价格昂贵的x分 量、y分量和z分量滤光片。在这种情况下，CCD像素的有效分辨率明显小 于基于CIE滤光片的系统，其采用每隔一个像素进行插值的方式，将像素插 成像色度计是基于CIE滤光片的CCD测量 值在不同颜色之间，来测量不同的颜色。因此，这类RGB系统在水平维度和 系统，经过标定后，能够模拟人类视觉 垂直维度上的有效分辨率将会减少一半。以1600万像素的CCD为例，由于 对亮度和色度的感知。相比RGB系统， 插值处理法并不会产生新的信息，因此RGB系统的有效分辨率将仅为400万 它们能够提供更高的色度测量精度。 像素。遵循与RGB相机相同的逻辑，通过采用每隔一个像素进行插值的方 式，1600万像素的CIE滤光片系统可以声称具有6400万像素。当然，这并 没有任何意义，但却清楚地表明，这两类相机的分辨率不具有直接可比性。 2 I Radiant Vision Systems, LLC 白皮书 图1 - 基于CIE的滤光片（左）和RGB滤光片（右）配置。 如果我们对两种基于CIE滤光片的高分辨率成像系统进行比较，分辨率问题会变 得更加有趣。举例来说，在相机分辨率相同的情况下，是什么因素导致不同成像 系统的性能存在差异？有些成像系统是否会比其他系统更适合特定的应用？ 要回答这些问题，我们需要查看基于每个像素的信噪比。下面，我们将探讨CCD 测量中的不同噪声源，并且看看这些噪声源会对不同的测量应用产生什么影响。 动态范围的定义 用于描述相机动态范围的测量单位有多种，这自然可能会引起一些混淆。就CCD 测量而言，动态范围通常以分贝（dB）为单位进行测量，用于描述最大信号电 平与读出噪声电平之间的比值。在本白皮书中，我们将使用此定义来描述动态范 围。有关动态范围的其他表述还包括以数字表示的位深（例如12位或14位）或者 比值（例如1000:1）。 CCD动态范围的数学表达式如下所示： 动态范围通常以分贝（dB）为单位进行 (1) 测量，用于描述最大信号电平与读出噪