Sensor 信噪比 SNR（Signal-to-Noise Ratio）

一、基础定义

Sensor信噪比：有效光信号电荷量 ÷ 噪声总电荷量，单位：dB（分贝）

SNR(dB)=10\log_{10}\left(\frac{Signal}{Noise}\right)
  • Signal：光子入射光电二极管，光电转换后积累的有效信号电子数（和拍摄画面亮度成正比）
  • Noise：无光照/暗光下也会出现的无用随机电子波动，会形成画面噪点

二、Sensor里噪声具体由哪几部分组成

1. 光子散粒噪声（Shot Noise）

信号本身自带的固有噪声，光子到达感光单元是随机量子行为。

N_{shot}=\sqrt{N_{signal}}

光越强，信号变大，但散粒噪声增长很慢，强光下SNR天然更高；暗光下信号小，该项噪声占比暴增。

2. 读出噪声 Read Noise

电荷从像素转移、片内ADC模数转换、列放大电路带来的固定随机噪声，暗光主导噪声。
短曝光、夜景、低ISO场景，读出噪声是画质瓶颈。

3. 暗电流噪声 Dark Current Noise

像素无光照时，半导体热激发自发产生电子，温度越高噪声越大。
长曝光夜景、车载红外夜视、高温设备（手机长时间录像）该噪声明显，表现成片均匀颗粒噪点。

4. FPN固定图案噪声

像素阵列每个单元工艺偏差，无光时各行各列像素本底电平不一致，画面出现横竖条纹；现代Sensor片内会做Correlated Double Sampling（CDS）抑制FPN。

总噪声合成

N_{total}=\sqrt{N_{shot}^2+N_{read}^2+N_{dark}^2}

三、SNR数值直观含义（工程经验）

SNR(dB)画面肉眼观感使用场景
≥50dB纯净无可见噪点日光拍照、主摄正常成像
40~50dB极小噪点，放大才可见室内暗光
30~40dB明显颗粒噪点，可用但画质下降夜景、高ISO
<20dB噪点淹没细节，画面糊成杂色极限暗光、极短曝光

四、工程规律

  1. 曝光量越高（进光越多），SNR越高
    开大光圈、放慢快门、提高镜头透光率，信号电子数提升，SNR同步上升，这也是夜景长曝光画质更好的根本原因。

  2. ISO增益会恶化SNR
    模拟/数字放大同时放大信号和噪声，SNR不会提升，只会把噪点同步放大；高ISO下只能靠TNR多帧降噪算法补救。

  3. 像素尺寸越大，SNR越强
    大尺寸光电二极管能收集更多光子，信号更大；同时暗电流、读出噪声不随像素面积同步增加，这就是大底Sensor暗光画质碾压小底的核心原理。

  4. 同一颗Sensor，满阱容量（Full Well）决定SNR上限
    像素最多能容纳的最大信号电子数越大，强光下最大SNR越高，动态范围同步提升。
    极限SNR近似：

    SNR_{max}\approx10\log_{10}(FW)

    例：满阱10000e⁻，最大SNR≈40dB；100000e⁻≈50dB。

五、和成像链路的关联

  1. Sensor输出原始RAW数据的SNR，是画质底层天花板，ISP降噪只能抑制噪声，无法凭空提升原始SNR；
  2. 多帧融合、HDR、长曝光都是通过增加总信号量变相拉高等效SNR；
  3. 量产选型对比两颗Sensor时，相同照度下SNR曲线是核心选型指标，比单纯像素数量重要得多。

六、补充

  1. SNR是随亮度变化的曲线，不是单一固定值：亮部SNR高，暗部SNR断崖下跌；厂商规格书会给出「典型照度下SNR曲线」；
  2. 彩色拜耳Sensor每个R/G/B通道SNR独立，绿通道感光效率高，SNR通常优于红、蓝通道，夜景蓝通道噪点最重。