Недавно на японском сайте "Tech_On!" по адресу http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20080418/150688/ появилась новость о разработке суперчувствительного фотоприемника, выполненного по технологии изготовления солнечных батарей. В статье сообщается о превосходстве нового фотоприемника под названием "GIGS Image Sensor" в чувствительности в 100 раз над матрицами ПЗС и КМОП. На сайте приведены фотографии, демонстрирующие преимущество нового прибора.

Сравнение фотографий сначала поражает, а потом вводит в недоумение. Ведь, 100 раз - это невероятно много! Неужели новый прибор превосходит по чувствительности все существующие фотоприемники, включая EMCCD, ЭОП поколения 3+ и т.д.? Смутно вспоминается, что подобные рекламные заявления мы уже видели пять лет назад в сообщении о сверхчувствительных CCD матрицах фирмы Texas Instruments. В тот раз, рекламное завышение чувствительности удалось выявить с помощью обычного графического редактора. Изменяя яркость и контрастность трех изображений, якобы демонстрирующих работу матрицы при различных коэффициентах увеличения чувствительности, мы убедились, что они одинаковы и "сделаны" из одного и того же изображения. Дальнейшая экспериментальная проверка матрицы ПЗС фирмы TI в составе разработанного для нее макета телевизионной камеры также выявила отсутствие выигрыша по чувствительности по сравнению с другими фотоприемниками. Отметим, что недавно фирма Texas Instruments все-таки освоила производство высокочувствительных матриц, но уже с термоэлектрическим охлаждением. И выигрыш по чувствительности оказался не в 100, а только в 10 раз.

Рис. 1 Исходная фотография, приведенная в сообщении. Слева изображения с матрицы КМОП, справа - с нового прибора при освещенностях 0,1, 0,05 и 0,001 люкс (сверху вниз соответственно).

Рис. 2 Фотография, полученная из исходной (рис. 1) путем увеличения яркости и контрастности в графическом редакторе.

Мы решили оценить чувствительность нового сенсора по выложенным в Интернете фотографиям и в этот раз. Для этого нам понадобился графический редактор и специальная программа, предназначенная для измерения параметров телевизионных камер OSC-16, разработанная фирмой ЭВС. Сначала, мы увеличили яркость и контрастность изображения в графическом редакторе (рис. 2) и увидели, что в левом верхнем квадрате появилось изображение, по качеству почти не уступающее тому, которое было на исходной фотографии в правом верхнем углу на рис. 1.

На левых среднем и нижнем изображениях не оказалось ничего. Ни шума матрицы КМОП, ни остатков изображения. Программа "OSC-16", в которую были загружены изображения, показала, что на левых среднем и нижнем изображениях уровень сигнала равен нулю и среднеквадратическое значение шума также равно нулю (рис. 3).

Рис.3 Центральные правое и левое изображения (сверху) и осциллограммы строки, демонстрирующие нулевой уровень сигнала и шума в левом изображении (снизу).

Такая ситуация невозможна ни в какой (разумеется, исправной) телевизионной камере. Полученные нулевые параметры сигнала и шума означают, что среднее и нижнее левые изображения японские рекламные работники просто "зарезали в черном" в графическом редакторе, т.е. заменили их на "черные квадраты Малевича". Убедившись в подделке левых изображений, полученных при освещенностях 0,001 люкс и 0,05 люкс, мы попробовали оценить относительные чувствительности двух фотоприемников при освещенности 0,1 люкс (верхние изображения). Для этого, мы измерили отношение сигнал/шум на левом и правом изображениях. Мы предположили, что сигнал на левом изображении был искусственно ослаблен. Известно, что изменения яркости и контрастности изображения не приводят к изменению отношения сигнал/шум и чувствительности (за исключением случаев, когда сигнал ослаблен очень сильно, и шумы квантования начинают вносить заметную погрешность). Как видно из рис.4, размах сигнала на левом изображении укладывается в 1,5 клетки шкалы, а на правом в 7 клеток, то есть они отличаются примерно в 5 раз. С учетом 256-уровневой сетки квантования изображения, 1,5 клетки шкалы (левое изображение) составляют примерно 40 уровней квантования, что вполне достаточно для оценки сигнальных и шумовых характеристик с точностью 5%. В наших измерениях артефакты компрессии JPEG (которой сжали изображения при вывешивании их на сайт) ориентировочно давали такой же вклад в ошибку измерений параметров, как и уменьшенный уровень сигнала.

Рис.4 Верхнее правое и левое изображения (сверху) и осциллограммы строки, демонстрирующие ослабление контраста левого изображении в 5 раз по сравнению с правым.

Для оценки СКО шума мы использовали заложенный в ПО "OSC-16" алгоритм оценки пространственного значения шума, который достаточно хорошо совпадает с принятым в телевидении методом временной оценки в случае, если выбраны ровные участки изображения для подсчета пространственного СКО. На анализируемых изображениях достаточно много ровных участков, как в области черного, так и в области белого. Измеренные значения уровней белой и черной деталей, а также СКО шума для левого изображения составили 27,4 (белое) 4,1 (черное) и 3,7 (шум) уровней квантования соответственно. Отметим, что дробные значения получились из-за примененного (для повышения точности) усреднения по 196 -ти пикселям. Размах сигнала составил 27,4 - 4,1 = 23,3 уровня. Отношение сигнал/шум, при этом, получилось равным 23,3/3,7 = 6,3 раза.

Рис.5 Пример измерения уровня белой детали и СКО шума в белом на левом верхнем изображении с помощью ПО "OSC-16". Исследуемые изображения (сверху) и окно ПО "OSC-16" с результатами измерений (внизу).

Аналогично, при измерении параметров правого изображения мы получили значения уровней белой и черной деталей и СКО шума 165 (белое), 24 (черное) и 13,1 (шум) уровней соответственно. Тогда, размах сигнала на правом изображении составляет 165 - 24 = 141 уровень, а отношение сигнал/шум 141/13,1 = 10,8 раз. Сравнивая отношения сигнал/шум на правом (10,8) и левом (6,3) изображениях мы получаем, что при одной и той же освещенности (в данном случае 0,1 люкс) новый суперчувствительный фотоприемник имеет отношение сигнал/шум, а следовательно и чувствительность всего лишь в 10,8/6,3 = 1,7 раз большие, чем обычная матрица КМОП. С поправкой на погрешность измерений, можно утверждать, что новый фотоприемник не более чем в 2 раза чувствительнее обычной матрицы КМОП, но никак не в заявленные 100 раз.

Как мы отмечали в начале статьи, пять лет назад для рекламы "сверхчувствительного" фотоприемника американские маркетологи сделали фото - муляж. Такой, что простое изменение яркости и контрастности предъявленных изображений сразу же выявило, подделку. Японские рекламные работники оказались опытнее. Они просто убрали сигнал конкурирующей матрицы КМОП при уровнях освещенности 0,05 и 0,001 люкс и в качестве среднего и нижнего левых изображений предъявили "черные квадраты". Однако, (и это была их ошибка) они хоть и ослабили, но все-таки оставили достаточно большим уровень сигнала в левом верхнем изображении, по которому мы с помощью ПО "OSC-16" сумели оценить действительный выигрыш в чувствительности у нового прибора.

Выводы.
Жаль, что иногда при демонстрации технических достижений для усиления рекламного эффекта в ход идут ухищрения маркетинговых служб. Возможно, новая технология изготовления фотоприемников, анонсированная на сайте "Tech_On!" имеет преимущества перед КМОП и ПЗС. Но попытка завышения результата в данном случае привела к сомнениям в достоверности характеристик нового фотоприемника "GIGS Image Sensor" и к некоторой потере доверия к известной японской фирме.

 Скачать статью (RAR -архив, 292 kb)

Автор(ы)  :  Куликов А.Н.