程春雨，李榮桓，吳雅楠，馬馳，吳迪

（1.大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部，大連116023；2.大連激發(fā)軟件科技有限公司，大連116024）

CMOS影像傳感器的信噪比分析

程春雨1，李榮桓2，吳雅楠1，馬馳1，吳迪1

（1.大連理工大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)部，大連116023；2.大連激發(fā)軟件科技有限公司，大連116024）

本文使用像素密度歸一化方法，對(duì)比分析了市場(chǎng)主流廠家生產(chǎn)的多系列數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品中CMOS影像傳感器的控噪水平。結(jié)論是：2009年尼康推出的采用瑞薩代工傳感器的D3S在噪聲控制方面達(dá)到了頂峰。之后的4年，CMOS控噪技術(shù)的發(fā)展似乎遇到了瓶頸，各廠商轉(zhuǎn)而在提升像素密度方面大力進(jìn)取。

CMOS影像傳感器；信噪比（SNR）；DxOMark；降噪

1 引言

數(shù)碼相機(jī)的畫質(zhì)是一個(gè)綜合性指標(biāo)，主要包括：各感光度（ISO）下的信噪比、顏色深度、動(dòng)態(tài)范圍等。在這些指標(biāo)中，各感光度下的信噪比指標(biāo)尤為重要，在這方面，各影像傳感器和相機(jī)廠家都不愿意向最終消費(fèi)者公開其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試數(shù)據(jù)。

本文所有引用的數(shù)據(jù)均來自DxOMark網(wǎng)站。DxOMark網(wǎng)站隸屬于法國知名圖像處理軟件DxO公司。為了能給數(shù)碼相機(jī)的畫質(zhì)提供一個(gè)更加直觀量化的衡量標(biāo)準(zhǔn)，DxO公司專門設(shè)計(jì)了一套數(shù)碼照片畫質(zhì)衡量標(biāo)準(zhǔn)，以反映采用不同CMOS影像傳感器的相機(jī)，其原始畫質(zhì)的不同表現(xiàn)。

2 信噪比與像素的互換

2.1 縮圖后信噪比的提升

當(dāng)一幅數(shù)碼照片的像素縮小為原圖的1/N時(shí)，其信噪比提升了10lgN（dB）［1］。

數(shù)碼照片經(jīng)圖像處理軟件縮圖處理縮為原圖的1/N后，其噪點(diǎn)會(huì)變得不再明顯，但卻損失了（N-1）/ N的像素細(xì)節(jié)。盡管如此，在多數(shù)情況下，這還是可取的，因?yàn)榇蛴∫粡?寸照片不需要超過150萬像素。有時(shí)候，我們會(huì)為手機(jī)拍攝到的高感夜景照片而驚嘆，網(wǎng)頁上小于30萬像素的圖片是那樣的干凈。其實(shí)，這都是軟件縮圖的效果。

2.2 降低像素密度后影像傳感器信噪比的提升

在相同條件下，影像傳感器的像素密度越高，則單點(diǎn)像素的通光量越小，單元噪聲下的信噪比越惡劣［2］。降低像素密度類似于軟件縮圖，但受集成布局和加工工藝的影響，降低像素密度和軟件縮圖還略有差別，但在一定的范圍內(nèi)，它們的總體規(guī)律是一致的：即在相同的CMOS工藝下，像素密度縮小為原芯片的1/N，其信噪比提升了10lgN（dB）。在表2中，D600的像素密度為D3S像素密度的2倍，依據(jù)上述像素密度和信噪比的關(guān)系，則D600的信噪比應(yīng)該比D3S的信噪比降低了10lg1/2（dB）=3（dB），在DxOMark網(wǎng)站上得到的實(shí)測(cè)值為-2.8dB。

2.3 相鄰感光度（ISO）之間的信噪比間距為3dB

提高一檔感光度（ISO）的數(shù)值，則需要的曝光量減半（-1EV），即信號(hào)減半，在噪聲不變的前提下，則對(duì)應(yīng)的信噪比降低了3dB，如表1所示。

表1中列出了三款相機(jī)分別在不同感光度下，DxOMark網(wǎng)站測(cè)得的信噪比數(shù)據(jù)。

表1 三種不同相機(jī)各感光度下的信噪比數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，在曝光條件允許的情況下，應(yīng)盡量使用較低的ISO檔來拍攝。如果曝光條件不允許而必須使用較高的ISO檔拍攝時(shí)，那么在后期縮圖時(shí)，數(shù)碼照片每縮小一半像素，都可以獲得3dB信噪比的提升，其結(jié)果等效于降低了1檔ISO來拍攝。但后期大尺度的縮圖并不可?。菏紫龋笃诳s圖會(huì)大幅度地失去像素細(xì)節(jié)；其次，高ISO拍攝時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍（寬容度）會(huì)相應(yīng)減?。?］。

3 像素密度歸一化后再分析影像3傳感器的信噪比

在高端數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品中，都使用低像素密度、大尺寸的影像傳感器。在實(shí)際拍攝中，使用高端數(shù)碼相機(jī)拍攝，輕易就可以取得極高的畫質(zhì)，這和使用普通民用數(shù)碼相機(jī)拍攝形成很大的反差。所以，人們會(huì)憑直覺判斷：低像素密度、大尺寸影像傳感器的控噪技術(shù)含量高。其實(shí)，接下來的數(shù)據(jù)對(duì)比之后，應(yīng)該得出這樣的結(jié)論：同時(shí)代主流廠商、主流產(chǎn)品的控噪技術(shù)水平基本一致。這里所說的控噪技術(shù)是指對(duì)CMOS電路的噪聲控制水平，而不是信噪比指標(biāo)。大密度、小尺寸的影像傳感器的信噪比較低是因?yàn)閱挝幌袼孛娣e太小［4］，導(dǎo)致通光量成倍下降，而不是因?yàn)殡娐吩肼曉龃髮?dǎo)致的信噪比惡化。

表2和表3中，以尼康D3S相機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，參照感光度（ISO）為200（這是D3S的起步ISO）時(shí)測(cè)得的信噪比數(shù)據(jù)。D3S為1200萬像素，像素密度為14114點(diǎn)/ mm2。其余參加對(duì)比的機(jī)型一律將自身的像素密度除以D3S的像素密度，得到“像素密度倍率（M）”，然后將原圖縮圖到原機(jī)器像素的1/M，將提升了10lgM（dB）之后的信噪比與D3S的信噪比做對(duì)比，這就是像素密度的歸一化過程。

對(duì)于不同CMOS影像傳感器的控噪水平，只有完成了像素密度歸一化之后，信噪比數(shù)據(jù)才具有橫向和縱向的可比性，才能代表CMOS基片噪聲的實(shí)際抑制水平。

表2 像素密度歸一化之后的信噪比數(shù)據(jù)

與D3S SNR的差值(dB) D700035.116.37444653.155.19740.08-0.62 D320033.624.392682744.845.04240.45-0.25 NEX-C335.416.163440913.125.17440.35-0.35 E-M533.216.11716325.083.17140.26-0.44 RX-10030.220.21173990121.68440.99+0.29富士X1028.412.2121027714.90.81940.13-0.57 2009年10月之前的產(chǎn)品D339.412.19514114112.19539.4-1.3 D70039.712.19514114112.19539.7-1 5D236.621.114244721.7312.17738.98-1.72 1Ds336.121.557249501.7712.19438.58-2.12 5D36.113.222153031.0812.19436.43-4.27 D9036.512.361331502.355.26340.21-0.49 D30034.912.481334732.375.26338.64-2.05 450D34.512.401377442.674.63738.77-1.93 D2X32.212.389322652.295.41935.80-4.90機(jī)型ISO200原始SNR(dB)像素（百萬）像素密度(點(diǎn)/mm2)像素密度倍率(M)縮圖到1/M的像素(百萬)縮圖后的等效SNR(dB)

由表2可見，2009年10月之后的產(chǎn)品中，當(dāng)排除像素密度的差異之后，對(duì)應(yīng)的信噪比與D3S的信噪比非常相近。這說明，市場(chǎng)在D3S產(chǎn)品推出之后，各廠家在控噪技術(shù)方面逐漸追平了D3S，其后所有廠家都沒能在降低CMOS影像傳感器的噪聲方面取得突破性進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，各生產(chǎn)廠家不斷嘗試增大影像傳感器的像素密度，在不同規(guī)格的底片上推出花樣繁多的新產(chǎn)品，以迎合不同的客戶群，從而驗(yàn)證了這樣一條規(guī)律：新技術(shù)首先成熟于高端專業(yè)領(lǐng)域，然后成功于低端消費(fèi)類產(chǎn)品。

4 回顧與展望

2004年尼康搭載索尼IMX007型CMOS傳感器推出的D2X，性能并不比同期的CCD傳感器存在優(yōu)勢(shì)，甚至2005年佳能推出的5D，其傳感器的噪聲控制都很不理想［5，6］。2007年8月，佳能的1Ds3大幅度提高了控噪水平［7］。同月，尼康發(fā)布了搭載瑞薩代工傳感器的D3產(chǎn)品，取得了信噪比的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。2008年，各廠家你追我趕，佳能推出了5D2，尼康推出D700、D3X，創(chuàng)新技術(shù)開始向低端產(chǎn)品遷移。尼康推出的入門中端產(chǎn)品D90，搭載了索尼的傳感器，進(jìn)一步提高了控噪水平。2009年尼康使用瑞薩代工的傳感器推出了D3S，將控噪技術(shù)推向了巔峰。至此，我們深切期待各傳感器廠家下一次控噪技術(shù)水平的突破。

［1］DxO Labs.Compare Camera Sensors［DB/OL］.［2013-11-26］. http://www.dxomark.com/index.php/Cameras/Compare-Camera-Sensors.

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SNR Analysis for CMOS Image Sensors

CHENG Chun-yu1,LI Rong-huan2,WU Ya-nan1,MA Chi1,WU Di1
(1.Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology, Dalian116023,China; 2.Dalian Inspire Software Technology Co.,Ltd.,Dalian116024,China)

In this paper,the noise control abilities of different mainstream electronic products were analyzed using the pixel density normalization method.The conclusion is that Nikon D3S using a Renesas OEM sensor announced in 2009 achieves the best performance.After that,the development of CMOS noise control technology seems to have encountered a bottleneck in the following four years.The manufactures turned their attentions to enhance the pixel density.

CMOS Image Sensor;Signal to Noise Ratio(SNR);DxOmark;Noise Reduction

TP212.9;TB852.1

B

10.3969/j.issn.1001-0270.2014.05.23

2014-05-04