????????圖像傳感器噪聲取決于圖像傳感器的制作工藝、內部結構及內部補償技術等原因，噪聲反應了圖像傳感器的內部特性。CMOS圖像傳感器基本原理見：

CMOS圖像傳感——概述_滄海一升的博客-CSDN博客_cmos圖像傳感器CMOS圖像傳感器基本介紹https://blog.csdn.net/qq_21842097/article/details/117659629????????相比純粹的光學器件，電子器件在噪聲方面的性能更差。受量化噪聲、溫度、漂移、ADC 精度、勢阱閾值容量、暗電流以及像素之間差異等因素影響，圖像傳感器拍攝的圖像不能避免受到噪聲影響。研究圖像傳感器的噪聲成因，能夠為圖像噪聲的校正提供理論依據，并且為圖像傳感器制造技術提供參考。

? ? ? ? 下面就介紹CMOS圖像傳感器的主要噪聲成因。

一、光子散粒噪聲（Photon shot noise）

????????光是由離散的光子構成（光的粒子性），光源發出的光子打在CMOS上，從而形成一個可見的光點。光源每秒發射的光子到達CMOS的越多，則該像素的灰度值越大。但是因為光源發射和CMOS接收之間都有可能存在一些因素導致單個光子并沒有被CMOS接收到或者某一時間段內發射的光子特別多（量子漲落），所以這就導致了灰度值會有波動，也就是所謂的散粒噪聲。噪聲分布如下，通過對兩幅連續圖像進行做差來分離得到光子散粒噪聲：

?????????噪聲直方圖本質上是一個高斯分布，不同像素間的光子計數波動是完全不相關的，就其空間變化而言，光子shot noise是白噪聲（在所有空間頻率上具有相同的強度）。因此，從表現形式來看，光子散粒噪聲表現為椒鹽噪聲。

? ? ? ? 進一步分析，可以得到該噪聲滿足泊松分布。至于為什么是泊松分布，非常好理解。對于每一個像素點，能否接收到光子可以用一個二項分布（伯努利分布）去描述，從整個面的角度，能夠接收到的概率是比較小的，而且分散到整個探測器平面的光子數往往是非常多的，能夠使得這個二項分布趨向于泊松分布（二項分布的極限就是泊松分布）。

?????????對于泊松分布，其均值與方差均相同，事實上均值的分布就是概率（波函數）的分布，可以看作是信號。通常在圖像中定義信噪比的時候，可以將標準差定義為噪聲，所以對于散粒噪聲，噪聲是與信號有關的。而且可以想象，總光子數越多，均值就越高，同時標準差也越大，也就是信號與噪聲同時增加，然而信號的提高是?倍的提高，而噪聲是??倍(標準差與方差存在根號的關系)，所以總光子數的提高會帶來信噪比??倍的提高。光照越高，散粒噪聲越不明顯;光照越低，它就越明顯。

二、讀出噪聲（sensor read noise）

????????由像素的光敏部分收集的光子會刺激電子的逸散（光電效應），每一個被捕獲的光子都會發射一個電子。累積的光電子被轉換成與其數量成比例的電壓，電壓通過PGA進行放大（在相機里，此處放大倍數稱為原生ISO），并在模數轉換器 (ADC) 中進行數字化。代表所有像素的光子計數的數字構成圖像的原始數據，我們將這個數字稱為像素的原始值。

????????在理想情況下，原始數據中記錄的數字數與光子數成正比。光子數量和相應的原始值之間的比例常數通常被稱為傳感器的模擬增益(它不是真正的增益，而是光電子計數和原始值之間的轉換因子)。由于ISO值每增加一倍就會使給定曝光的原始值增加一倍，所以增益與ISO成反比——ISO值增加一倍就會使增益減半，因為相同數量的光子在ISO值增加一倍時就會轉換成兩倍大的原始值。

?????????在現實世界中，原始數據并不精確地反映光子計數。信號處理鏈中的每個電子電路元件——從傳感器讀出，到ISO增益，再到數字化——都會受到電壓波動的影響，導致原始值與理想值的偏差與光子計數成比例。由于信號處理電子器件的原始值的波動構成了傳感器的read noise。

? ? ? ? 通過拍攝“黑幀”圖像（蓋上鏡頭蓋進行曝光和最高可用快門速度）來分離得到讀取噪聲：沒有捕捉到光子，只剩下讀取傳感器的電子噪聲。可以看出，噪聲的直方圖近似為高斯分布。

????????就其空間變化而言，read noise并不完全是白噪聲。經過仔細觀察，圖像的波動中有一維模式。因為從人眼的感知模式來說，即使。模式或條帶噪聲對整體噪聲的貢獻較小，但在視覺上比白噪聲更明顯。

三、模式噪聲（Pattern noise）?

????????模式噪聲既可以具有固定的分量，即在圖像之間也不會發生變化；也可以具有一個可變分量，雖然在像素之間不是隨機的，但在圖像兩兩之間并不相同。

????????通過對 16 個相同的“黑幀”進行平均來或得固定模式噪聲的pattern，可以平均掉任何可變的、波動的讀噪聲分量，留下大部分固定的分量。可以看到，圖中既有水平條帶，也有垂直條帶。

? ? ? ? 可以看到，固定模式噪聲在視覺上造成的影響是巨大的。目前，業界主要采用相關雙采樣（CDS）技術來消除固定模式噪聲。

四、熱噪聲（Thermal noise）

????????在像素中受熱激發可以釋放幾個電子，這些熱電子與光子吸收釋放的電子無法區分，因此導致原始數據所代表的光子計數的失真。熱電子在單位時間內以相對恒定的速率釋放，因此熱噪聲隨曝光時間增加。

???????噪聲水平隨著曝光時間的增加而上升，在這個特定樣本中，當曝光時間超過約 15 秒時，斜率會下降。 這種行為變化的原因是標準偏差的上升主要是由于分布尾部的一些“hot” pixel。當這些像素的原始值達到 max（sensor的最大值）時，它們對標準偏差的貢獻會飽和，并且只有其他像素會導致標準偏差（較慢）上升。

????????為了顯示這些外圍“hot” pixel 數量的增長，下圖以白色繪制了兩個不同曝光時間的像素值高于平均值四個或更多標準差的像素（左圖曝光時間為15s，右圖為30s）：

?????????對于少于一秒左右的曝光，讀取噪聲相對恒定，熱噪聲對整體圖像噪聲的貢獻可以忽略不計。?另一個導致圖像質量下降的熱因素是amplifier glow，這是由讀出放大器發出的紅外輻射（熱量）引起的：

? ? ? ? 可以看到，圖中右下角有明顯的發亮，該部分靠近讀出電路。?

五、光響應非均勻性（Pixel response non-uniformity?）

????????光響應非均勻性（PRNU，Pixel response non-uniformity）—— 由于sensor中并非所有像素在捕捉和計數光子方面都具有完全相同的效率，即使沒有read noise、shot noise等，原始計數仍然會有變化。造成這個問題的原因主要是在傳感器制造過程中，感光元件上的硅的薄厚不同造成的。

????????通過分別測量組合的shot noise和read noise，并從一系列曝光的總噪聲中適當地減去這些噪聲，我們得到了PRNU“噪聲”繪制為曝光的函數的圖像：

????????PRNU“噪聲”隨著曝光的增長而增長——不同的像素記錄了不同比例的光子，因此PRNU的RAW值的標準差與曝光成正比增長。另一方面，shot noise隨著曝光的平方根而增大;read noise與曝光無關。在較低的曝光shot noise是主要的貢獻，陰影區域read noise變得重要。

????????PRNU通常占總噪聲的1~2%左右，很多時候是可以忽略的。從下圖中可以看出當信號較大時光信號本身的散粒噪聲遠大于像素的非線性響應噪聲。

六、量化噪聲（Quantization error）

????????當來自signal 的模擬電壓信號被數字化為一個RAW值時，它被四舍五入到一個附近的整數值。由于這種四舍五入，RAW值會略微錯誤地表示實際信號;數字化帶來的誤差稱為量化誤差，有時也被稱為量化噪聲。

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七、暗電流相關噪聲

????????暗電流是在目標物體無光照的條件下觀測到的電流，是一種非理想因素，暗電流會積分成為暗電荷并存儲在像素內的電荷儲存節點。暗電荷的數量與積分時間成正比，同時也和溫度有關系。

1、暗電流散粒噪聲（Dark current shot noise）

????????暗電流散粒噪聲源自像素的暗電流的波動。由于像素中的熱誘導電子流（熱電子發射）而產生暗電流。由于累積電荷量與時間成比例，因此在像素中會產生暗信號。由于電子的離散性質，暗信號在每個像素中都不會相同，但會遵循泊松分布，就像光子散粒噪聲一樣。因此，暗電流散粒噪聲等于暗電流的平方根，因此將隨著像素的積分時間而增長。由于暗電流是熱現象，因此它與溫度有很大關系。通常認為暗電流每8攝氏度加倍，但這個數字在不同傳感器之間可能有很大不同，因此應該將其視為一個經驗法則而非精確數字。所以在設計電路時必須注意把容易發熱的電子元件盡可能布置在遠離sensor的地方。

2、暗信號響應非均勻性（Dark signal non-uniformity?）

????????暗電流產生在像素之間可能不同，并且這將顯示為通常被稱為暗信號不均勻性（DSNU）的固定模式噪聲。對于CMOS傳感器而言，無論是在像素級還是列級，其他元件的差異也可能導致不均勻性。這些可能是隨機的或結構化的，取決于它們的起源是在像素本身還是在傳感器的列電路中。如果源自列電路，則結果將在圖像中顯示為垂直條紋。

3、復位噪聲（Reset noise）

? ? ? ? 根據CMOS圖像傳感器的工作原理，卷簾曝光方式需要在先對勢阱復位，將勢阱中自由積累的電荷全部釋放，為后續的讀出準備。但是由于暗電流的存在，每次復位后都會殘留一些大小隨機的噪聲信號，即復位噪聲，其大小與像素結構、芯片溫度、PN結電容有關，因此也稱為kTC噪聲。

????????像素的復位是需要一定時間的。定量的研究表明，即使是采用較大的復位電流，一般也需要1ms以上的時間才能將電荷釋放干凈，如下圖所示。

?????????實際的復位控制信號通常會短于1ms，因此下一幀圖像多多少少會殘存一些上一幀圖像的影子，這個殘影叫做image lag，也是噪聲的一種形式。下圖顯示了有殘影和無殘影的圖像對比。

? ? ? ? 復位噪聲也可以通過相關雙采樣(correlated double sampling, CDS)進行抑制。

八、1/f 噪聲（Flicker noise）

????????1/f 噪聲是一種低頻噪聲，在有些文獻中也稱flicker noise（閃爍噪聲） 或pink noise（粉紅噪聲），它廣泛存在于半導體器件中。在低頻的時候1/f噪聲一般顯著高于電散粒噪聲。

????????從上圖中可以看到，“pink”與“white”這兩種"顏色"的主要區別在于功率譜的分布。白噪聲的功率在所有頻段上是均勻分布的，而粉紅噪聲的功率主要集中在低頻。

? ? ? ? 1/ f 噪聲大部分被相關雙采樣(correlated double sampling, CDS)所抑制，只要兩次采樣之間的間隔足夠短,可以認為 1/ f 噪聲是失調。

九、串擾（cross-talk）

? ? ? ??在sensor領域，串擾指的是入射到一個像素A的光信號沒有在這個像素里被捕獲，反而被其周圍的像素B捕獲，導致B產生了不該有的信號。下圖顯示了串擾的原理，黃色像素周圍的多個像素都有可能捕獲一些本屬于黃色的光子，這也是一種噪聲來源。

????????波長越長，串擾越嚴重。而造成這一?現象越來遠嚴重的原因在于像素越做越小。業界為了解決串擾也做了很多努力：

CMOS圖像傳感器 —— ISOCELL_滄海一升的博客-CSDN博客_cmos圖像傳感器介紹了三星 ISOCELL技術，在此基礎上說明了DTI（深槽隔離技術），索尼的B-DTI，OV 的PureCel Plus-S均采用DTI技術。https://blog.csdn.net/qq_21842097/article/details/121011137

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??????????盡管像素噪聲有多種來源，但每種噪聲的貢獻程度并不是同等重要的。為了簡化計算，實際上經常采用簡化的噪聲模型，只考慮光散粒噪聲、暗散粒噪聲、讀出噪聲、以及ADC器件的量化噪聲。

????????甚至可以進一步將量化噪聲吸收到讀出噪聲中。因此，在計算信噪比時，往往噪聲往往只計算讀出噪聲，散粒噪聲以及暗電流。見：

CMOS圖像傳感器——提升圖像信噪比_滄海一升的博客-CSDN博客_cmos信噪比介紹常用的提升信噪比方法的技術原理，并對他們的效果做定量分析https://blog.csdn.net/qq_21842097/article/details/118785962

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CMOS图像传感器——图像传感器噪声的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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