Высокочувствительные камеры с поддержкой обработки изображений
Что именно представляют собой высокочувствительные камеры?
Если мяч для гольфа окажется на дерновой лужайке, где трава коротко подстригается, его легко будет заметить. Если мяч приземлится на ровной лужайке, где трава немного длиннее, его все равно будет видно. Если же он упадет в высокую траву, его будет сложно увидеть, а значит и обнаружить.
Чем выше трава, тем сложнее увидеть мяч. Чем выше уровень шума, тем сложнее расшифровать истинный сигнал. При низком уровне шума (в нашей аналогии — если трава подстрижена) объект (мяч) легко обнаружить. Если уровень шума на изображении, полученном с камеры, высокий, то объект по сути исчезает из поля зрения. Чем слабее фоновый сигнал, тем проще заметить мяч.
«Порог обнаружения», или момент, после которого мяч уже невозможно обнаружить в траве, по определению достигается, когда высота травы становится равна высоте мяча. Аналогичным образом, если уровень шума равен уровню сигнала, то объект на изображении еще можно (хоть как-то) отличить от шумового сигнала. Соотношение между уровнем сигнала и уровнем шума называется соотношением «сигнал — шум». По достижении порога обнаружения, описанного выше, это соотношение равно 1. Чем выше соотношение «сигнал — шум», тем проще обнаружить объект.
Каждый сигнал, порождаемый объектом в сенсоре камеры, соответствует количеству света, попавшему на пиксели матрицы. В условиях слабой освещенности этот сигнал будет очень слабым. Электронные компоненты камеры способны усилить даже очень слабый сигнал, который затем можно будет успешно оцифровать и передать. Подвох кроется только в одном: помимо усиления полезного сигнала при этом также будет усилен вредный шумовой сигнал. В результате усиления соотношение «сигнал — шум» не меняется.
Это в особенности критично для высокочувствительных камер, предназначенных для систем машинного зрения, поскольку они отличаются значительным усилением сигнала. Для обеспечения высокого разрешения даже в случае значительного усиления сигнала необходимо, чтобы соотношение «сигнал — шум» в таких камерах было максимально высоким. По этой причине в камерах применяются технологии, призванные обеспечить минимальный уровень шума. Камера с изначально высокими характеристиками с точки зрения полезного сигнала и шума отличается хорошим соотношением «сигнал — шум», а это, в свою очередь, означает, что объекты будут проще различимы.
Важным фактором при установлении соотношения «сигнал — шум» является способность сенсора максимально эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы. Квантовая эффективность (QE) определяет, какое количество электронов производится из заданного количества фотонов. Современные сенсоры, например, способны произвести 60 электронов из 100 фотонов. Это соответствует квантовой эффективности 60 %. В результате постоянного развития технологии сенсора вскоре будет возможна и более высокая QE 70 %.