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ISP调试——基础概念理解

isp调试

目录

序言

正文

1.Optical Size 光学尺寸

2.Chief Ray Angle (CRA)

3.FSI & BSI

4.Back sensor 直接感光

5.Microlens (微透镜)

6.Pixel Size 像元尺寸

7.Binning

8.动态DPC(Dynamic Pixel Correction 坏点矫正)

9.QE效率 (Quantum Efficiency)

10.CCD & CMOS

11.灰阶


序言

        人如其名,还是一个小菜鸟,仍需要向大佬们好好学习,若有理解有误地方,欢迎指出。

正文

1.Optical Size 光学尺寸

  • 在Sensor(传感器)规格书上,"Optical Size"(光学尺寸)通常指的是图像传感器的物理尺寸。它表示传感器芯片的实际尺寸,通常以长度和宽度(或对角线尺寸)的方式表示。
  • 以下是一些与光学尺寸相关的重要方面:
    1.  感光面积:光学尺寸决定了传感器的有效感光面积。较大的光学尺寸通常意味着更大的感光面积,可以接收更多的光线,从而提供更高的图像质量和更好的低光性能。
    2. 像素大小:在给定的光学尺寸下,像素大小是传感器分辨率和感光能力的关键因素。较大的像素通常意味着每个像素可以捕捉到更多的光,提供更低的噪点水平和更强的动态范围。
    3. 图像质量:光学尺寸间接影响图像质量。较大的光学尺寸可以提供更高的像素密度和更好的分辨率。在同样像素密度的情况下,较大的光学尺寸还可以实现更好的色彩还原和细节捕捉。
  • 光学尺寸不是唯一决定图像传感器质量的因素。传感器的其他规格和特性(如像素类型、像素布局、图像处理算法等)也会对最终图像的质量和性能产生影响。

2.Chief Ray Angle (CRA)

  • 在Sensor规格书和Lens(镜头)规格书中一般都会出现有关CRA的参数
  • 那么CRA是什么?
  • 是一个在光学和成像领域使用的术语,用来描述光线从光学系统的中心到达焦点的角度。CRA 在光学设计和分析中具有重要作用,特别是在镜头设计和成像系统优化中。
  • 光线在通过光学系统(比如透镜、反射镜等)时会发生折射和反射。CRA 是指从光学系统的中心出发的主光线(或主光线束)到达焦点或图像平面的角度。它是相对于光学轴(光学系统的中心轴线)的角度。CRA 可以用来衡量光线的入射角度,从而帮助分析成像系统的性能和效果。
  • 成像系统设计中,CRA 可以影响以下方面:
    1. 畸变:光线以不同的入射角度穿过镜头或光学系统,可能导致径向或切向畸变。控制 CRA 可以有助于减少畸变。
    2. 光线质量:光线以大的入射角度穿过光学系统时,可能会引入色散、像散等光学问题。通过优化 CRA,可以改善图像质量。
    3. 遮挡和散射: 过大或过小的 CRA 可能会导致遮挡或散射现象,降低图像的清晰度和对比度。
    4. 光斑大小:CRA 也会影响焦点上的点光源在图像平面上的光斑大小。不同的 CRA 可能会产生不同大小的光斑
  • Lens 和 Sensor 分别都有一个CRA,想要出图的效果好,那么Lens和Sensor的CRA值要匹配是必不可少的因素,ISP能够做的就是锦上添花的事情。

3.FSI & BSI

  • Front-Illuminated 前照式 -- Back-Illuminated 背照式
  • 前照式摄像头(传统结构):
  • 优点:
    • 适合一般光条件下的拍摄。
    • 较为经济实惠,易于生产和集成。
  • 缺点
    • 在低光条件下的表现不如背照式摄像头。
    • 受到光敏元件上的电路遮挡,可能对光的利用产生影响。
  • 背照式摄像头:
  • 优点:
    • 在低光条件下具有更好的表现,可提供更清晰、更明亮的图像。
    • 光收集效率更高,能够捕捉到更多光线。
    • 更广泛的动态范围,可以处理高对比度场景。
  • 缺点:
    • 相对于前照式摄像头,背照式摄像头的制造成本较高。
    • 在极端高光条件下,可能会出现过曝现象。

4.Back sensor 直接感光

  • 通过这种背照式结构,背照式图像传感器具有以下优点:
  • 更高的光收集效率:由于光可以直接到达光敏元件,背照式传感器能够捕捉到更多的光线,提高了低光条件下的感光能力。
  • 提高的图像质量:背照式传感器具有更低的噪点水平和更好的灵敏度,能够在低光照条件下提供更清晰、更明亮的图像。
  • 较宽的动态范围:背照式传感器能够处理高对比度场景,保留更多的细节和阴影细节。
  • 尤其在夜间摄影、低光条件下的拍摄和高动态范围场景中表现出色。

5.Microlens (微透镜)

  • 是一种微小尺寸的透镜结构,常用于光学领域,尤其是在图像传感器和显示技术中。
  • 用于对光线进行聚焦和控制。它在图像传感器和显示技术中起着关键的作用,提高了光学设备的性能和图像质量

6.Pixel Size 像元尺寸

  • 指的是图像传感器上每个像素的实际尺寸。它表示了图像传感器上相邻像素之间的物理距离。

  • 以下是像素尺寸的一些关键影响因素:
    1. 光收集能力:像素尺寸决定了每个像素可以接收到光线的数量。较大的像素尺寸能够捕捉到更多的光线,因此在低光条件下具有更好的感光能力,可以提供更高的信噪比和更低的噪点水平。
    2. 分辨率:在给定的图像传感器尺寸下,像素尺寸越小,传感器上可以容纳的像素数量就越多,从而实现更高的分辨率。较小的像素尺寸可以提供更细致的图像细节和更高的图像纳米技术。
    3. 动态范围:像素尺寸还对图像传感器的动态范围产生影响。较大的像素尺寸通常可以容纳更多的电荷,提供更宽的动态范围,使传感器能够更好地处理高对比度场景,并保留更多的细节和阴影细节
  • 更大的面积,可以获得更多的光量子,但是导致分辨率低。
  • 较大的像元尺寸会导致传感器上可以容纳的像元数量减少,从而影响分辨率。由于较大的像元占据了更多的传感器面积,相同大小的传感器上能够容纳的像元数量就减少了,进而导致图像的空间分辨能力下降。分辨率表示图像中可以分辨出的细节级别,较低的分辨率意味着图像的清晰度和细节捕捉能力较差。
  • 需要平衡感光能力和分辨率之间的权衡
  • 低光条件下或对于强调高灵敏度的应用,较大的像元尺寸可能更为重要。
  • 而对于追求高分辨率和更多细节捕捉的应用,较小的像元尺寸和更高的像元数量可能更合适。

7.Binning

  • 是一种图像传感器技术,它通过将相邻的像素合并为一个单一的“大像素”来影响图像质量和特性。这种合并像素的过程称为 binning(合并),而生成的大像素称为 binned pixel(合并像素)
  • Binning 通常可以通过硬件或软件方式实现。
  • 在硬件 binning 中,相邻像素的电荷被直接合并在一起,形成具有较大感光面积和较高灵敏度的 binned pixel。
  • 而在软件 binning 中,相邻像素的电荷在后续图像处理步骤中进行合并。
  • Binning 技术对图像传感器的性能和特性产生以下影响:
    1. 灵敏度提高:通过将相邻像素合并为一个大像素,binned pixel 的感光面积变大,相应地能够接收更多的光量子。因此,Binning 技术可以提高图像传感器的灵敏度和感光能力,特别是在低光条件下。
    2. 降噪效果:由于相邻像素的电荷被合并在一起,图像信号的噪点级别相对减少。合并相邻像素可以平滑图像的噪点,并提供更清晰的图像细节。
    3. 分辨率降低:Binning 技术将多个像素合并为一个大像素,从而导致图像的分辨率降低。合并像素会减少图像的空间细节,并损失一部分分辨能力。因此,Binning 技术在对高分辨率要求较低的应用中更常见。
  • Binning通过牺牲分辨率获得更大的像元尺寸 -- 可以这么理解
  • Binning可以提升信噪比 -- 降噪

8.动态DPC(Dynamic Pixel Correction 坏点矫正)

  • 是一种用于图像传感器的校正技术,旨在修复或减少传感器像素上的缺陷,并提高图像质量。
  • 传感器上的像素可能会存在一些不完美,例如亮度非均匀性、暗像素、热像素、固定模式噪声等。
  • 这些缺陷在图像上可能表现为异常的亮点、暗点、颜色异常或均匀度差异等问题。
  • 动态DPC技术通过分析图像传感器的输出数据并根据缺陷的性质进行修正,可以帮助消除或减少这些缺陷的影响。
  • 动态DPC技术通常基于以下原理:
    1. 基准帧(Reference Frame):系统会拍摄一张称为基准帧的图像,其中包含了传感器上的缺陷信息。
    2. 缺陷检测:基于基准帧,系统会检测传感器上的各种缺陷,比如暗点、亮点、噪声等。这些缺陷可能是固定的,也可能是随时间变化的。
    3. 校正参数计算:根据检测到的缺陷信息,系统会计算一组校正参数,用于修正传感器在后续的图像捕获中产生的缺陷。
    4. 实时校正:在实时的图像捕获过程中,根据计算得到的校正参数,系统会对每个像素进行相应的校正处理,以减少或消除缺陷的影响。通常,校正是在信号处理管线中进行的

9.QE效率 (Quantum Efficiency)

  • 指光电二极管(Photodiode)或其他光电转换器件在特定波长下将光能转化为电信号的效率。
  • 是衡量sensor 的客观参数
    • 光电转换器件(如图像传感器、太阳能电池等)的 QE 是描述其对入射光能转换效率的量化指标。QE 可以用百分比或分数表示,表示光电转换器件对特定波长的光能的吸收和转换效率。
  • 是sonsor采集光量子转化电信号的一个程度

10.CCD & CMOS

传统 CCD (Charge-Coupled Device)

  • 行一行读 速度慢 画质好 一致性好
  • 某一个ADC坏了 一整条都坏掉
  • CCD优点
    1. 高图像质量:CCD 传感器在图像质量方面表现出色,具有低噪声、高动态范围和良好的光线感受性。
    2. 高灵敏度:CCD 传感器具有高光电转换效率,可以捕捉到低光强度下的细节,并在高对比度场景中表现良好。
    3. 低暗电流:CCD 传感器中的光电二极管和电荷传输结构使其具有较低的暗电流,从而减少了图像中的暗噪声。
  • CCD 缺点:
    1. 较高功耗:由于其复杂的电荷传输结构,CCD 传感器通常需要较高的功耗,这在移动设备等功耗敏感应用中可能不太适用。
    2. 较慢的读出速度:CCD 传感器的读出速度相对较慢,对于高帧率图像捕捉和视频录制等应用可能存在一定限制。

CMOS( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

  • 没办法保证均一性
  • CMOS 优点:
    1. 低功耗:CMOS 传感器采用的是更简单的像素设计和电路结构,功耗相对较低,适用于移动设备和便携式应用。
    2. 快速读出速度:CMOS 传感器具有较快的读出速度,适合高速图像捕捉和视频录制应用。
    3. 集成度高:CMOS 传感器与其他电路集成度高,可以方便地将图像传感器与信号处理电路集成在同一芯片上,从而简化系统设计和降低成本。
  • CMOS 缺点:
    1. 相对较低的图像质量:CMOS 传感器在图像质量方面可能略逊于 CCD,其噪声水平、动态范围和低光性能可能相对较差。
    2. 电路干扰:由于集成度较高,CMOS 传感器可能会在图像中引入额外的电荷和电路干扰,可能影响图像质量。

11.灰阶

  • 上图为8bit的灰阶图,目前接触到一般是8bit的灰阶。
  • 灰阶 8bit 到 16bit 人眼几乎分不出区别
  • 和人眼看不出有关 也和显示器 大部分支支持8bit
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