科研相機成像品質的關鍵Vol.4—背景和均勻性
背景和信號均勻性
科研圖像品質通常不會在相機規格表中出現的一個關鍵，那就是相機的背景品質和均勻性，信號就顯示在背景上。背景中靜態和動態結構與圖樣(Pattern)會增加微弱信號檢測的難度，並降低影像視覺品質，無論是靜態還是動態，通常不可能取像後再消除這些信號，因為圖樣對任何給定影像都可能帶來不同的影響。
背景品質
- 靜態圖樣
CMOS相機中，類比數位轉換器(ADC)獨立測量每一列的信號，一些相機甚至在感光元件的上下兩層都有ADC，以提高讀取速度，但此類設計需要仔細校準和平衡每個ADC的相應輸出，即使都用相同的感光元件，不同相機製造商和不同型號的品質也會有很大差異，下圖簡單比較了兩個相機的底層感光元件圖樣。
Prime BSI的畫面都沒有顯示出明顯圖樣，但是他牌相機顯示出大量圖樣；單幀中靜態的圖樣被動態圖樣覆蓋，下方1000幀的DSNU平均數並不能確實反映品質的差異程度
- 動態圖樣
動態圖樣可以反映相機讀出過程中未被修正的問題，且要設計出無圖樣的相機既難又貴，且與靜態圖案相比，取像後再去除這些圖樣更具挑戰性，並可能對低光成像數據的品質和可量化性造成更大的損害。
上：水平向的捲動圖樣匯聚在感光元件的中心，圖像比例固定在98到101灰階。下：橘框區域影像序列取 100 幀繪平均值
小結：背景中同時呈現靜態和動態圖樣，這是弱光信號成像品質最具挑戰性的因素之一。
- 合併和背景品質
「合併」是犧牲解析度以提高信噪比的方法，但圖樣問題會變得更加嚴重，例如2x2合併會導致2倍讀取雜訊，因此如果要進行合併，讀取雜訊和圖樣都必須最小化。
左圖：82% QE像素6.5μm使用2x2合併的備案相機影像。右圖：95% QE像素11μm的Prime 95B。兩者以相同的曝光時間和照度取像，左圖有明顯的「棋盤狀」偽影。
暗信號不均勻性(DSNU)
DSNU是相機所有偏移量的總稱，也是一個可以用來描述的量，即由平均1000個或更多暗幀，形成以電子為單位的標準偏差，目的為捕捉相機背景中可能覆蓋微弱信號的圖樣和偽影程度，不能有效反映背景品質和圖樣的存在。
小結：DSNU不能準確反映相機的背景品質，因為這種測量不能體現低光成像中圖樣的問題嚴重性。
光響應不均勻性（PRNU）
PRNU定義為均勻照明下相機像素值的標準偏差，通常以百分比表示，目的為提供高光照水準下感光元件均勻性的定量測量，作為感光元件上存在的圖樣的定量表示，與光照度有很大的關係，但對於對於光照度並無一定標準。
在相機製造商的技術文獻中，PRNU通常是在感光元件的半滿電位井下測量，但這對於比較目的毫無幫助，因不同感光元件間的電位井容量差異很大，而且不同製造商對同一相機感光元件的不同實現方也會有差異，且半滿電位井容量的光照水平太高，無法為低光成像技術提供有意義的測量結果。不過，通過測量PRNU時的取像可以更了解，此測量不適合體現圖樣的存在與否以及不均勻性。下圖顯示了在相同PRNU數值下，兩台不同相機在感光元件上顯現出明顯的圖樣，而另一個相機則沒有。
