1.?與圖像傳感器相關(guān)的因素

1.1?混疊現(xiàn)象（摩爾效應(yīng)）

對(duì)圖片進(jìn)行離散采樣并且采樣頻率低于目標(biāo)空間頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。此時(shí)可以觀察到條狀或者帶狀的圖形（稱為摩爾效應(yīng)），這個(gè)圖形類似于當(dāng)兩個(gè)紡織物前后交疊時(shí)的現(xiàn)象。

混疊現(xiàn)象在圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換中有最重要的影響，這是因?yàn)椋?/p>

（a）拍攝圖片后的處理產(chǎn)生的莫爾條紋混疊現(xiàn)象，可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)避免。但是，在圖像傳感器采樣中出現(xiàn)的沒(méi)有辦法消除。

（b）對(duì)通常使用的帶有色彩濾波器的單色圖像傳感器，混疊現(xiàn)象經(jīng)常以顏色的形式出現(xiàn)，因?yàn)樯什蓸拥念l率是低于照度采樣頻率的，這是導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差的重要因素。

色彩摩爾效應(yīng)常常當(dāng)作檢查圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)目標(biāo)中有高頻分量時(shí)這種效應(yīng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。色彩摩爾效應(yīng)有時(shí)體現(xiàn)為彩色的邊界，即一個(gè)黑白圖案的邊緣處出現(xiàn)了錯(cuò)誤的彩色。

當(dāng)對(duì)一個(gè)高頻黑白目標(biāo)拍攝時(shí)，通過(guò)檢查誤差色彩的產(chǎn)生來(lái)評(píng)估色彩摩爾效應(yīng)。最常使用的圖表是CZP（圓形波帶板）圖表，這是一個(gè)二維頻率掃描圖表，它是設(shè)計(jì)和估量光學(xué)低通濾波器的一個(gè)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(xiàn)象，當(dāng)持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，這種現(xiàn)象稱為拖尾；當(dāng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)或永久存在時(shí)，這種現(xiàn)象稱為圖像殘留。

固態(tài)圖像傳感器通常不會(huì)出現(xiàn)圖像殘留。然而，當(dāng)傳輸效率不夠高或者像素的復(fù)位電荷不足時(shí)，拖尾有時(shí)會(huì)出現(xiàn)。

1.3?暗電流

圖像傳感器是一種半導(dǎo)體器件，當(dāng)它沒(méi)有受到光照時(shí)，也會(huì)因?yàn)闊嵝?yīng)造成泄露電荷，稱為暗電流。通過(guò)減去黑像素（不受光照產(chǎn)生的像素）的輸出值可以對(duì)空間均勻的暗電流進(jìn)行消除。但是，不同像素中的暗電流是不同的，并且會(huì)給圖像引入噪聲，而且電荷轉(zhuǎn)移隧道中的電荷累積部分也會(huì)產(chǎn)生暗電流。當(dāng)在像素電荷轉(zhuǎn)移隧道中的電荷轉(zhuǎn)移的必要時(shí)間不恒定時(shí)，如電荷轉(zhuǎn)移被暫停或者電荷被強(qiáng)制停滯時(shí)，暗電流就可能稱為一個(gè)噪聲源。

噪聲級(jí)別是和下面兩個(gè)因素成比例：①像素中產(chǎn)生噪聲的累積時(shí)間；②轉(zhuǎn)移隧道中產(chǎn)生噪聲的等待時(shí)間。

在實(shí)際應(yīng)用中，暗電流強(qiáng)烈依賴于溫度，這方面的相關(guān)性也需要考慮。

1.4?像素缺陷

在圖像傳感器的制造過(guò)程中一些雜質(zhì)的引入等原因，一些像素具有過(guò)大的暗電流、讀出信號(hào)的問(wèn)題或者過(guò)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(hào)稱為像素缺陷。

像素缺陷經(jīng)常被相鄰的像素?cái)?shù)據(jù)所取代來(lái)避免它出現(xiàn)在相機(jī)的輸出中。但是，也有可能因?yàn)檫^(guò)多的像素缺陷而影響圖像的質(zhì)量。

1.5?高光溢出/漏光

由于強(qiáng)光入射到圖像傳感器的表面，常會(huì)產(chǎn)生一些不正常的信號(hào)，當(dāng)一個(gè)像素的電荷處于飽和狀態(tài)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(dāng)長(zhǎng)波光照射到硅基上并穿透時(shí)，稱為漏光（smear）。

1.6?白電平限幅/缺色/單調(diào)黑色

白電平限幅、缺色和單調(diào)黑色區(qū)域經(jīng)常被觀察到，一個(gè)原因是由于圖像傳感器沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，另一個(gè)原因是圖像傳感器的操作點(diǎn)并不能被很好地控制住。

當(dāng)一個(gè)圖像傳感器記錄一個(gè)擁有比傳感器飽和值更高光照度的明亮區(qū)域時(shí)，白電平限幅就會(huì)出現(xiàn)。由于具有飽和值的信號(hào)，飽和區(qū)域?qū)?huì)被記下，這會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)完全單調(diào)的白色區(qū)域。

當(dāng)圖像傳感器飽和區(qū)域的輸出色彩信號(hào)只有一種或者兩種色彩通道時(shí)，缺色現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，這將導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域?qū)?yīng)的色彩平衡度嚴(yán)重變差，從而影響圖像質(zhì)量。

單調(diào)黑色會(huì)丟失由于圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍限制的細(xì)節(jié)，在重現(xiàn)圖像時(shí)會(huì)導(dǎo)致灰度太低而在視覺(jué)上無(wú)法辨別，那么這個(gè)區(qū)域就會(huì)被視為單調(diào)黑色區(qū)域。導(dǎo)致單調(diào)黑色的首要原因是圖像傳感器和圖片播放系統(tǒng)灰度信息的缺失。

1.7?空間隨機(jī)噪聲/固定模式噪聲

隨機(jī)噪聲，毫無(wú)規(guī)律地分布在整個(gè)圖像中，其對(duì)圖像質(zhì)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(cè)到，也更影響圖像質(zhì)量。

1.8?熱噪聲/閃爍噪聲

在圖像傳感器的放大器處理信號(hào)中和用于接收傳感器輸出的預(yù)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(guò)降溫來(lái)減少，但不能完全消除。

隨著像素尺寸的不斷變小，量子效應(yīng)也變得不可忽略，浙江導(dǎo)致圖像傳感器的信號(hào)大小會(huì)以不確定的量子效應(yīng)進(jìn)行波動(dòng)。這意味著即使目標(biāo)圖像均勻不變時(shí)，輸出信號(hào)也會(huì)在時(shí)間和空間上進(jìn)行隨機(jī)的波動(dòng)。閃爍噪聲的大小與光子數(shù)量的均方根成比例，因此，信號(hào)和閃爍噪聲的比值與信號(hào)值的均方根成比例。

2.?與鏡頭相關(guān)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(nèi)部反射引起的。

2.2?畸變

實(shí)際的鏡頭都或多或少有畸變，這將會(huì)改變物像的相似性。在固定焦距的鏡頭，畸變是固定的；對(duì)于變焦鏡頭，畸變?cè)诓煌咕嘞鲁尸F(xiàn)不同的情況。對(duì)于一般情況，畸變?cè)叫≡胶谩?/p>

2.3?色差

鏡頭針對(duì)不同的波長(zhǎng)的光有不同的折射率，這導(dǎo)致出現(xiàn)色彩。在一個(gè)鏡頭中，可以通過(guò)多個(gè)鏡片的設(shè)計(jì)來(lái)校正像差。

2.4?景深

拍照的功能是將實(shí)際的三維物體轉(zhuǎn)換為圖片上的二維物體。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，處于鏡頭焦距位置的點(diǎn)會(huì)以最佳分辨率被記錄下來(lái)，而不在焦距上的點(diǎn)會(huì)模糊記錄，并且離焦點(diǎn)距離越大越模糊。景深是保證模糊度處于可以接受范圍內(nèi)的距離。

景深大小可以用鏡頭的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算。

3.?與信號(hào)處理相關(guān)的因素

3.1?量化噪聲

數(shù)碼相機(jī)通過(guò)將光照度的值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值來(lái)記錄物體的光照度，在這個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，模擬的光照度將會(huì)被轉(zhuǎn)換成離散的若干比特的數(shù)字值，這個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程不可避免地存在一些比特誤差或者量化誤差。當(dāng)系統(tǒng)的精度很高時(shí)，量化誤差會(huì)影響圖像質(zhì)量；當(dāng)系統(tǒng)精度比較低時(shí)，它可以被忽略。

3.2?壓縮噪聲

可交換圖像文件是一種標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)物體中的一部分信息來(lái)達(dá)到一個(gè)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(shí)鐘噪聲

電源線噪聲和時(shí)鐘噪聲就是所謂的飛入噪聲。能量供應(yīng)和時(shí)鐘脈沖信號(hào)的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電路可以在AD轉(zhuǎn)換之前通過(guò)影響相機(jī)的模擬部分對(duì)圖像傳感器進(jìn)行啟動(dòng)。這些類型的啟動(dòng)電路會(huì)在圖像中引入亮點(diǎn)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(shè)置下拍攝一個(gè)黑色的物體，然后觀察圖片上的噪聲并測(cè)量它的峰值。這種噪聲是由電路產(chǎn)生的，所以這種噪聲的具體性質(zhì)會(huì)隨著環(huán)境溫度和相機(jī)自身發(fā)熱而變化。

4.?與系統(tǒng)控制相關(guān)的因素

4.1?對(duì)焦誤差

即使鏡頭有理想的性能，如果對(duì)焦不準(zhǔn)確，也不能獲得理想的圖像質(zhì)量。如果目標(biāo)物體在焦距之外，圖像會(huì)變模糊，并且模糊的程度會(huì)隨著與焦點(diǎn)偏移程度的擴(kuò)大而增大，即在高頻的情況下鏡頭的響應(yīng)將會(huì)變差，這將導(dǎo)致分辨率和銳化度的嚴(yán)重惡化。另一方面，隨著分辨率的降低，混疊也會(huì)降低。

4.2?曝光誤差

如果曝光誤差很大，那么由于信號(hào)超過(guò)了動(dòng)態(tài)范圍，丟失的信息變得不可彌補(bǔ)，從而無(wú)法獲得理想的圖像質(zhì)量。而且，曝光誤差將會(huì)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(lái)，圖像質(zhì)量也會(huì)受到影響。

4.4?照明閃爍的影響

交流電導(dǎo)致照明光常常會(huì)有閃爍，這會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)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(yīng)性

當(dāng)處理一個(gè)物體或者一個(gè)圖像時(shí)，需要考慮人類視覺(jué)上的光適應(yīng)和色彩適應(yīng)。

5.2?相機(jī)抖動(dòng)

如果在曝光過(guò)程中物體是運(yùn)動(dòng)的，那么得到的圖像就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊的現(xiàn)象。

當(dāng)相機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相機(jī)抖動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)，和運(yùn)動(dòng)模糊不同，相機(jī)抖動(dòng)會(huì)使整個(gè)圖像都變模糊。

5.3?急動(dòng)干擾

帶有錄像功能或者電子取景器的數(shù)碼相機(jī)可以處理移動(dòng)信號(hào)。當(dāng)一個(gè)相機(jī)對(duì)移動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，如果圖片一幀的曝光時(shí)間和幀頻相比過(guò)短，那么移動(dòng)圖片看上去就會(huì)顯得不自然，移動(dòng)感覺(jué)像是間斷的，這種效應(yīng)稱為急動(dòng)干擾。當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體是被一個(gè)高速的電子快門記錄時(shí)，這種效應(yīng)格外明顯。

5.4?瞬態(tài)噪聲

當(dāng)拍攝一幅靜態(tài)圖片時(shí)，隨時(shí)間波動(dòng)的瞬態(tài)噪聲會(huì)被凍結(jié)為空間噪聲。

編輯：黃飛

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