چه پارامترهایی باید هنگام انتخاب بین سنسور تک‌رنگ (مونو) و رنگی در نظر گرفته شوند؟

• سنسور رنگی زمانی ضروری است که اطلاعات رنگ در کاربرد مدنظر اهمیت داشته باشد. بدیهی است اگر کاربر به تصویر رنگی نیاز دارد (مانند بازرسی و کنترل کیفیت)، تنها گزینه، استفاده از سنسور رنگی است.
• سنسورهای رنگی ذاتاً کندتر عمل می‌کنند. درحالی‌که در سنسورهای تک‌رنگ (مونوکروم) هر پیکسل معمولاً با 8 بیت توصیف می‌شود؛ در سنسورهای رنگی هر پیکسل دارای 8 بیت برای کانال قرمز، 8 بیت برای کانال سبز و 8 بیت برای کانال آبی است. این یعنی حجم داده‌ها، سه برابر می‌شود که منجر به زمان پردازش بیشتر می‌گردد.
• سنسورهای تک‌رنگ (مونوکروم) می‌توانند به‌وضوح تصویر بالاتری دست یابند. در دوربین‌های رنگی، وجود فیلتر می‌تواند منجر به کاهش عملکرد سیستم از نظر وضوح نوری شود. علاوه بر این، الگوریتم Demosaicing نیز ممکن است خطاهایی در بازسازی رنگ ایجاد کند؛ بنابراین در مواردی که اطلاعات رنگی ضروری نیست، استفاده از سنسور مونوکروم ارجحیت دارد.

ویژگی‌های سنسور

• نقص‌های پیکسلی

نقص‌های پیکسلی می‌توانند به سه دسته تقسیم شوند: پیکسل‌های داغ، گرم و مرده. پیکسل‌های داغ عناصری هستند که همیشه اشباع می‌شوند (حداکثر سیگنال را بدون توجه به‌شدت نور ، می‌دهند، مثلاً سفید کامل). پیکسل‌های مرده رفتاری معکوس دارند و همیشه سیگنال صفر (سیاه) تولید می‌کنند. پیکسل‌های گرم سیگنال‌های تصادفی تولید می‌کنند. این نوع نقص‌ها مستقل از شدت نور و زمان نوردهی هستند؛ بنابراین به‌راحتی قابل‌حذف هستند. این نقص‌ها معمولاً در مرحله پردازش تصویر و با الگوریتم‌های مناسب اصلاح می‌شوند.

• نویز

انواع مختلفی از نویز وجود دارد که می‌تواند بر قرائت واقعی پیکسل‌ها تأثیر بگذارد. این نویزها می‌توانند ناشی از عوامل هندسی، فیزیکی و الکترونیکی باشند و هم به‌صورت تصادفی و هم ثابت ظاهر شوند. برخی از این نویزها در ادامه توضیح داده شده‌اند:

• نویز شات (Shot noise)

این نویز نتیجه ماهیت گسسته نور است. هنگامی که شدت نور بسیار کم باشد؛ مانند شرایطی که نور دریافتی توسط سطح کوچک یک پیکسل، بسیار کم است. نوسانات نسبی تعداد فوتون‌ها در زمان قابل‌توجه خواهد بود. این وضعیت مشابه پرتاب سکه است که در تعداد کم پرتاب‌ها، احتمال شیر یا خط به طور معناداری از ۵۰٪ فاصله می‌گیرد. این نوسانات همان نویز شات هستند.

• نویز جریان تاریک (Dark current noise)

این نویز توسط الکترون‌هایی ایجاد می‌شود که به‌صورت تصادفی در اثر پدیده گرمایی تولید می‌شوند. تعداد این الکترون‌های گرمایی و نویز مرتبط با آن، با افزایش دما و زمان اکسپوژر افزایش می‌یابد.

• نویز کوانتیزاسیون (Quantization noise)

این نویز مربوط به تبدیل مقدار پیوسته ولتاژ آنالوگ اولیه به مقدار گسسته ولتاژ دیجیتال پردازش شده است.

• نویز بهره (Gain noise)

این نویز، ناشی از تفاوت در رفتار پیکسل‌های مختلف (از نظر حساسیت و بهره) است. این نوع نویز نمونه‌ای از «نویز ثابت» است که می‌توان آن را اندازه‌گیری و حذف کرد.

• حساسیت (Sensitivity)

حساسیت یک پارامتر کلیدی است که میزان پاسخ سنسور به نور را اندازه‌گیری می‌کند. این مشخصه رابطه مستقیمی با بازده کوانتومی (Quantum Efficiency) دارد که نشان می‌دهد چه درصدی از فوتون‌های ورودی به الکترون تبدیل می‌شوند.

• محدوده دینامیکی (Dynamic Range)

محدوده دینامیکی نسبت بین حداکثر و حداقل سیگنالی است که سنسور می‌تواند دریافت کند. در حد بالایی، پیکسل‌ها برای هر مقدار شدت نوربالاتر از این حد به رنگ سفید (اشباع) ظاهر می‌شوند، درحالی‌که در حد پایینی و مقادیر کمتر، پیکسل‌ها سیاه دیده می‌شوند.

• نسبت سیگنال به نویز (SNR – Signal-to-Noise Ratio)

نسبت سیگنال به نویز (SNR) با درنظرگرفتن اثر نویز موجود، نشان می‌دهد که رسیدن به حداقل مقدار تئوری طیف خاکستری (که توسط محدوده دینامیکی تعریف می‌شود.) در عمل اغلب غیرممکن است. SNR نسبت بین حداکثر سیگنال و نویز کلی سیستم است که بر حسب دسی‌بل (dB) اندازه‌گیری می‌شود.

• SNR

محدودیتی را برای سطوح خاکستری، در تبدیل سیگنال آنالوگ (پیوسته) به دیجیتال (گسسته) تعیین می‌کند. به‌عنوان‌مثال، اگر حداکثر SNR برابر 50 دسی‌بل باشد، انتخاب مناسب یک سنسور 8 بیتی است که در آن 256 سطح خاکستری معادل 48 دسی‌بل است. 

استفاده از سنسوری با سطوح خاکستری بیشتر به معنای ثبت مقداری نویز خالص خواهد بود. 

• حساسیت طیفی

حساسیت طیفی پارامتری است که کارایی ثبت شدت نور در طول‌موج‌های مختلف را توصیف می‌کند. چشم انسان دارای سه نوع گیرنده نوری است که در حساسیت به طول‌موج‌های مرئی متفاوت عمل می‌کنند، بنابراین منحنی حساسیت کلی، ترکیبی از هر سه نوع است. 

سیستم‌های بینایی ماشین که معمولاً مبتنی بر دوربین‌های CCD یا CMOS هستند، نور را در محدوده ۳۵۰ تا ۹۰۰ نانومتر تشخیص می‌دهند که محدوده اوج حساسیت آن بین ۴۰۰ تا ۶۵۰ نانومتر قرار دارد. انواع مختلف سنسورها می‌توانند طیف فرابنفش (UV) یا در طرف مقابل نور مادون‌قرمز نزدیک (near infrared) را نیز پوشش دهند؛ قبل از آنکه برای طول‌موج‌های بسیار دور مانند SWIR مادون‌قرمز موج‌کوتاه یا LWIR مادون‌قرمز موج‌بلند به فناوری‌های کاملاً متفاوتی روی‌آورند.