數(shù)碼成像原理

1、1數(shù)碼成像原理第五章23 二十世紀八十年代中后期，快速、便捷的數(shù)字成像手段，順應了時代的潮流，得到前所未有的發(fā)展。技術(shù)推動：微電子技術(shù)的快速發(fā)展、電子計算機的普及、互聯(lián)網(wǎng)（移動互聯(lián)網(wǎng)）用戶的膨脹應用需求：報刊、雜志；Internet互聯(lián)網(wǎng)、家 庭4光電器件記光電器件記錄亮度分布，錄亮度分布，并以電荷形并以電荷形式存儲式存儲并行、并行、串行串行電荷電荷掃描掃描模擬模擬信號信號放大放大模數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字數(shù)字圖像圖像液晶、存儲液晶、存儲卡、計算機卡、計算機客觀客觀景物景物光學光學成像成像系統(tǒng)系統(tǒng)DSP處理處理和壓縮和壓縮數(shù)碼成像的基本流程 光電子成像方式光電子成像方式51.1. 瞬時顯示攝影效果：

2、瞬時顯示攝影效果： 節(jié)省時間； 提高成片率2.允許重拍：影像記錄介質(zhì)可讀、可寫、可重復使用3. 更好的曝光控制：更好的曝光控制：電子快門速度更快，可達微秒量級，適合高照度環(huán)境拍攝；較大的相對孔徑和較高的光電靈敏度（有的器件具有相當于膠片靈敏度ISO1600的感光水平），使得低照條件攝影不成問題。4. 色彩更趨飽和：色彩更趨飽和：常規(guī)彩色膠片和相紙存在“有害吸收”；而數(shù)碼相機通過CFA分別記錄紅、綠、藍光，而且還可以通過影像增強，顏色曲線校正來避免“有害吸收”。 6傳統(tǒng)相機拍傳統(tǒng)相機拍攝效果攝效果數(shù)碼相機拍數(shù)碼相機拍攝效果攝效果75. 便于圖像特技處理：便于圖像特技處理：可以利用圖像處理軟件進行

3、諸如對比度校正、曝光校正、色彩重建和多圖像合成等，另外還可以校正像差。 處理后處理后處理前處理前86. 便捷的圖像通信：便捷的圖像通信： Email，Internet, 衛(wèi)星與地面工作站，視頻聊天，視頻會議 7. 準確復制和長期保存準確復制和長期保存 ：傳統(tǒng)光化學底片和照片會發(fā)生褪色，數(shù)碼照片不褪色，不損壞。 8. 節(jié)省時間和空間節(jié)省時間和空間 ：一臺電腦，一張桌子即可。 9. 綠色環(huán)保，沒有化學污染綠色環(huán)保，沒有化學污染95.3.1 按照感光器件分按照感光器件分CCD芯片芯片CMOS芯片芯片u CCD（Charge-Coupled Device） 指電荷耦合型光電器件電荷耦合型光電器件，是用

4、集成電路工藝制成的成像光電器件。CCD器件由微型光電二極管以電荷包形式記錄光強分布，然后通過電荷的逐個轉(zhuǎn)移依次讀出每個像素上的電荷量。u CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconducter) 指互補型金屬氧化物半導體光電器件，由MOS芯片上的微型光電管陣列記錄圖像的光強分布，并由CMOS開關(guān)陣列控制每個像素電荷的讀取，由行開關(guān)和列開關(guān)坐標決定被選中的像素，從而通過閉合的開關(guān)輸出電荷信號。105.3.2 按照圖像接收器件的形式分按照圖像接收器件的形式分u 面陣型 感光面積大（正方形或長方形），有1/3英寸，1/2英寸，2/3英寸和1英寸幾種規(guī)格，1英寸2

5、.54cm。一次曝光，攝影速度快，適于運動物體拍攝和閃光拍攝，但是制造困難。u 掃描型 感光芯片長而窄，由微小光敏單元均勻排成一列，在CCD移動過程中一行一行掃描“拍攝”景物，靠跨越影像平面的掃描來俘獲二維影像區(qū)。特點是分辨率高，曝光時間長，光機結(jié)構(gòu)復雜，不適于運動物體和閃光拍攝。115.3.3 按照俘獲方式分按照俘獲方式分u 單次俘獲型 一次曝光記錄彩色影像，絕大多數(shù)數(shù)碼相機采用單次俘獲方式。有單CCD和3CCD兩種形式。 3CCD型較單CCD型具有更好的影像輪廓圖形，其像素水平相當于單CCD的3倍。但是，疊加處理不好會導致影像模糊。單次單單次單CCD型型 單CCD型用在每個像素上貼極薄的染

6、料濾色片陣列（CFA）構(gòu)成彩色成像傳感器，各像素俘獲每種顏色的影像數(shù)據(jù)后，再合成彩色影像。12單次3CCD型 3CCD影像傳感器用3塊二維成像器件俘獲被彩色分光棱鏡分色的不同波長的影像，而后通過計算機軟件將不同波長的影像結(jié)合產(chǎn)生彩色影像。u 三次俘獲型 紅、綠、藍旋轉(zhuǎn)濾色鏡放置在鏡頭或面陣成像器件前面，需要3次各不相同的曝光，每次曝光時接收穿過不同顏色濾色鏡的光線。分辨率高，色再現(xiàn)性好，像素密度高。由于振動會發(fā)生套色不準，不適合運動物體拍攝。分分光光濾濾色色系系統(tǒng)統(tǒng)135.3.4 按照能否獨立使用分按照能否獨立使用分u 脫機型 有自己的影像存儲媒體（內(nèi)置式存儲媒體或可移動式存儲媒體），能作為獨

7、立的單元使用。便于攜帶，戶外拍攝方便。u 聯(lián)機型 數(shù)碼相機必須與計算機相連才能使用，主要用于戶內(nèi)拍攝，如影樓室內(nèi)拍攝、身份證拍攝等。結(jié)構(gòu)簡單，價格低。145.3.5 按照光機結(jié)構(gòu)分按照光機結(jié)構(gòu)分u 單反型 在35mm單反相機的機體上加上CCD成像器件、信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、圖像壓縮與存儲等相關(guān)部件組成的一個整體系統(tǒng)，機身更高或更厚。u 輕便型 結(jié)構(gòu)緊湊，小巧輕便，外形各異，鏡頭不可卸，廣泛用于桌面印刷、多媒體、保安和制證等，講究性價比，成像效果較數(shù)碼單反相機要低。u 數(shù)碼機背 用于中幅相機和大型相機，可方便地將現(xiàn)有中幅相機數(shù)字化。數(shù)字拍攝與傳統(tǒng)拍攝方式易互換，多用于要求較高的商業(yè)攝影和廣告攝影。

8、155.3.6 按照攝影功能分按照攝影功能分 只具有拍攝靜態(tài)畫面的功能，由于圖像讀取、處理與存儲時間充足，往往具有較高的分辨率。 靜態(tài)、連續(xù)畫面，電視會議，有些可以同時具有數(shù)字成像和傳統(tǒng)膠卷成像。u 單功能型u 多功能型165.3.7 按照接口方式分按照接口方式分 采用通用串行總線架構(gòu)接口。 USB為樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，最多可以分為5層，連接127個外部設備。其用意是計算機外圍設備連接標準化、單一化，下載速率可達1.5Mbit/s和12Mbit/s，具有軟件自動偵察和熱插拔功能。u USB數(shù)碼相機注：USB （Universal Serial Bus）由Intel公司提出，由Intel，IBM，Mi

9、crosoft，NEC等公司于1994年11月共同制定的計算機周邊設備連接標準。17采用通用的并行接口，初期占統(tǒng)治地位，發(fā)展前景黯淡。 采用周邊元件互連接口作為與計算機相連的接口。PCI插槽支持7種外圍設備，并支持32位和64位的數(shù)據(jù)傳輸。PCI接口性能好，相機要貴一些。u PP數(shù)碼相機（Parallel Port） u PCI數(shù)碼相機（Peripheral Component Interconnect）185.4.1. 成像器件像素水平成像器件像素水平 數(shù)碼相機的像素數(shù)與其分辨率有密切的關(guān)系。一般將像素指標用于評價CCD/CMOS的性能（只有一個），而將分辨率指標用于評價數(shù)碼圖片的拍照質(zhì)量（

10、多個）。根據(jù)像素水平，可以分為幾個檔次：VGA：30萬（640480）；XGA：80萬（1024768）；MegaPixel：百萬以上（12801024）。195.4.2 鏡頭性能鏡頭性能評價鏡頭質(zhì)量需要考慮其像差校正水平和制造精度。l 鏡頭的色貢獻指數(shù)是否較好地保證圖像的色彩還原。l 鏡頭的漸暈系數(shù)是否明顯影響到像面照度的均勻性。l 考慮光學彌散圓的控制是否與成像器件的像素很好地匹配。l 相對孔徑用光圈數(shù)F來表達：F數(shù)越小，鏡頭的相對孔徑越大，越有利于在照明不佳的條件下實現(xiàn)成像器件的正確曝光。 l 光學變焦的范圍越寬，越能在各種環(huán)境中進行拍攝。一般變焦數(shù)碼相機光學變焦能力在24倍之間，高的可

11、達812倍。205.4.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換精度模數(shù)轉(zhuǎn)換精度 模數(shù)轉(zhuǎn)換器件用于將光電成像器件生成的模擬電信號轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的數(shù)字信號。它的性能的好壞直接影響數(shù)碼相機的照片質(zhì)量和數(shù)碼相機的功能。 一般用轉(zhuǎn)換速度和量化精度衡量模數(shù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣。l 轉(zhuǎn)換速度：指每秒鐘A/D集成電路可以實現(xiàn)的將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的次數(shù)，它決定數(shù)碼相機拍照時的處理速度（最短曝光間隔時間）。l 量化精度：指每次量化可以達到的離散電壓等級，其大小直接影響數(shù)碼圖像的亮度和色彩表現(xiàn)。（16位，24位，36位）21 實現(xiàn)圖像壓縮。高壓縮比可以節(jié)省數(shù)碼相機的存儲空間，快的壓縮速度可以提高相機的連拍速度。5.4.4 DSP能力 對成像器

12、件上獲取的數(shù)字圖像信號進行處理與完處理與完善善工作。比如黑色補償、光照度補償，缺陷像素修補等。 從獲取的數(shù)字圖像中提取曝光量信息和對焦信息并實時反饋，控制成像物鏡和快門，實現(xiàn)自動對焦和自動曝光。225.4.5 取景系統(tǒng)取景系統(tǒng)l 平視取景：結(jié)構(gòu)簡單，取景器光軸與鏡頭光軸不重合，不僅存在位置誤差，也存在大小誤差。l 鏡頭取景(TTL)：取景光軸與成像光軸重合，取景誤差小。u LCD（Liquid Crystal Display）取景 利用液晶顯示屏顯示由光電器件接收并經(jīng)DSP預處理的圖像。取景視場精度高，所見即所得。目前還存在跟蹤速度不高，對比度差，視角范圍窄等缺點。u 光學取景23 數(shù)碼相機中

13、的存儲器用于保存圖像，其性能表現(xiàn)在存儲容量，數(shù)據(jù)交換能力和可更換性方面，結(jié)構(gòu)類型可以是芯片和磁性材料，具體可以分為內(nèi)存卡和可移動式存儲卡。5.4.6 圖像存儲5.4.7 耗電量 由于成像光電器件、DSP圖像處理器件、液晶顯示等部件工作時均需大量耗電，所以，數(shù)碼相機的耗電量較傳統(tǒng)照相機要大十幾倍之多。241. 聲音備忘錄：聲音備忘錄：以MPEG文件格式保存，更具聲色。2. 間歇定時拍攝功能間歇定時拍攝功能3. MPEG數(shù)碼視頻功能數(shù)碼視頻功能4. 浮動水印設定：在拍攝畫面添加拍攝印記，保護版權(quán)。浮動水印設定：在拍攝畫面添加拍攝印記，保護版權(quán)。5. 數(shù)碼相機間的影像復制。數(shù)碼相機間的影像復制。6.

14、 定向感應。定向感應。7. 直接打印。直接打印。8. 顯微拍攝：專業(yè)科研應用。顯微拍攝：專業(yè)科研應用。9. 全景功能和全景拼接功能。全景功能和全景拼接功能。10. windows圖形操作界面圖形操作界面2526275.6.1 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 光學系統(tǒng)是數(shù)碼相機接收客觀景物信息的眼睛，是決定照相機成像質(zhì)量的關(guān)鍵之一。 其功能與傳統(tǒng)相機的光學系統(tǒng)基本一致：成像光學鏡頭將外界景物成實像于光電器件上，光學取景器將外界景物成虛像于人眼的明視距離。28u 成像分辨率成像分辨率數(shù)碼成像數(shù)碼成像系統(tǒng)的分系統(tǒng)的分辨率辨率成像光學系統(tǒng)的分辨率成像光學系統(tǒng)的分辨率光電成像器件的分辨率光電成像器件的分辨率電

15、子電路的分辨率電子電路的分辨率成像光學系統(tǒng)的分辨率：光學彌散圓的大小，成像光學系統(tǒng)的分辨率：光學彌散圓的大小，對焦物平面前、后的點在像平面上呈現(xiàn)的模糊圓，小于人眼分辨率，由光學像差或光學衍射引起。光電成像器件的分辨率光電成像器件的分辨率：光電器件像素大小，光電器件像素大小，由制作工藝和光電靈敏度決定。29數(shù)碼成像分辨率的定性描述數(shù)碼成像分辨率的定性描述 像素面積大于光學彌散圓，數(shù)碼成像分辨率主要由像素面積決定。常見于孔徑較大的情況。 Case ICase II 光學彌散圓大于像素面積，數(shù)碼成像分辨率主要由光學彌散圓決定。常見于孔徑較小的情況。 30數(shù)碼成像分辨率的定量描述數(shù)碼成像分辨率的定量描

16、述假定：假定：系統(tǒng)的綜合分辨率可以用等效分辨長度Re來表示，而 Re與調(diào)制傳遞函數(shù)的平方成反比： 201R2( )esysMTFudu（5-1）式中，u是空間頻率（線對/mm）?？梢姡?MTFsys（u）時，Re，系統(tǒng)的分辨能力提高。31 令R0為光學分辨長度，在不考慮光學像差的情況下，可以近似表示為： 1.8541.854ofRFD（5-2） 令Rd為光電器件分辨長度，它等于像素的有效感光寬度d，即：dRd（5-3）32 系統(tǒng)的等效分辨長度Re與光學分辨長度R0和光電器件分辨長度Rd關(guān)系可以近似表示為： （5-4）22eOdRRR 將5-2，5-3式代入5-4式，可以得到：21.854()

17、1eFRdd（5-5）33 根據(jù)以上分析，可以畫出三種分辨長度的曲線：橫坐標：Fd縱坐標：對Rd 取的相對分辨長度34平衡點0.41Re1.25Rd35u 光學結(jié)構(gòu)設計光學結(jié)構(gòu)設計數(shù)碼相機的鏡頭設計光學方面考慮光學方面考慮光電匹配方面考慮選擇鏡頭的相對孔徑校正衍射彌散圓組合不同光焦度、不同光學材料的透鏡校正像差彌散圓選擇平衡點：已知光電器件像素的等效感光寬度d，則可以計算出光學分辨長度R00.75d36 從曝光寬容度考慮，數(shù)碼相機需要較大的相對孔徑，較短的焦距和較長的后截距，所以，數(shù)碼相機的鏡頭結(jié)構(gòu)比較復雜，像差校正困難。數(shù)碼相機基本的成像光學系統(tǒng)數(shù)碼相機基本的成像光學系統(tǒng) 第一個負透鏡使像方

18、光學主面靠向光電成像器件表面，在空間上保證低通濾波片和快門結(jié)構(gòu)的存在。 校正像差低通濾波器：濾除高頻部分，避免低頻條紋37利用石英晶體的雙折射效應（分光效應），使通過石英晶體的普通光束和異常光束錯開一定的距離，降低空間頻率采用光學增透膜，用于降低入射光能力的損耗 。采用紅外濾光膜，可以減小紅外輻射對光電探測器件的影響。晶晶體體一一晶晶體體二二提高成像質(zhì)量的措施：38物距鏡頭焦距物方視場大小物方視場大小像方視場大小像方視場大小半視場角22221122tan ()2tan ()22hvHVflu 焦距與視場焦距與視場 可見，對于一定大小的光電成像器件，焦距的增大意味著視場角的減小。 39 根據(jù)焦距

19、f與像方視場對角線的關(guān)系，可以將鏡頭分為：廣角鏡頭：鏡頭焦距小于像方視場對角線時，視場角增大。標準鏡頭：鏡頭焦距與像方視場對角線近似相等；望遠鏡頭：鏡頭焦距大于像方視場對角線，視場角減小，成像放大倍數(shù)增加，產(chǎn)生遠方物體被拉近的效果；40l 電子電子 變焦變焦能夠真正改變成像系統(tǒng)的焦距，并且在變焦過程中能夠保證系統(tǒng)的等效分辨率水平。在變焦過程中，一般將光學系統(tǒng)的光學像差控制在光電探測器像素寬的0.75倍。對已獲得的數(shù)字圖像信息進行數(shù)字圖像處理，對其中的局部進行放大。電子變焦可以放大圖像，但不能夠增加被放大部分的細節(jié)信息。u 數(shù)碼相機的變焦設計數(shù)碼相機的變焦設計l 光學光學 變焦變焦415.6.2

20、 成像光電器件成像光電器件 u CCD（Charge-Coupled Device） CCD是20世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導體集成光電器件，由大量獨立的微型微型MOS電容器電容器或光電二極管光電二極管用集成電路工藝制成，其作用相當于傳統(tǒng)照相技術(shù)中的感光膠卷。 CCD以電荷包的形式存儲和傳送信息，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)部分組成。光敏單元的排列方式：面陣和線陣；受光面積尺寸：1/4英寸，1/3英寸，1/2英寸，2/3英寸，1英寸；使用場合：黑白和彩色 42面陣型面陣型CCD的兩種不同排列結(jié)構(gòu)的兩種不同排列結(jié)構(gòu) CCD器件的光譜響應范圍寬于人眼的視覺范圍（0.380.78um），一

21、般在0.21.1um的波長范圍內(nèi)。特種材料的紅外CCD的波長響應可以擴展到幾個微米，即CCD的光譜響應范圍從遠紫外、近紫外、可見光到近紅外區(qū)。 43CCD的基本工作原理的基本工作原理1）光電轉(zhuǎn)換與存儲）光電轉(zhuǎn)換與存儲 設計利用光電效應將光子能量轉(zhuǎn)換成電荷的器件，然后將這些電荷存儲起來。MOS電容器電容器光電二極管光電二極管 二者都是采用P型Si襯底做底座，通過氧化蒸鍍（MOS電容器）或擴散（形成P-N結(jié)二極管）形成能夠存儲電荷的“勢阱”。其中，光生電荷的產(chǎn)生決定于入射光子的能量和數(shù)量。44l MOS電容器的特點電容器的特點 MOS電容器由于要經(jīng)過多層膜的吸收、反射和干涉，量子效率降低，靈敏度也

22、降低，而且由于多晶硅電極對短波部分的吸收，MOS電容器的藍光響應差。 l 光電二極管的特點光電二極管的特點 光電二極管靈敏度高，光譜響應寬，藍光響應好，暗電流小，性能比MOS電容器好，基本取代了MOS電容器。 452）電荷轉(zhuǎn)移）電荷轉(zhuǎn)移 通過給光敏單元的電極施加一定時序的驅(qū)動脈沖，可以實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。下圖演示了一個三相時鐘驅(qū)動工作的CCD電荷轉(zhuǎn)移過程。每個電極都保持一個閾值電壓（2V），勢阱深度隨著電壓的增大而增加。初始狀態(tài)新勢阱產(chǎn)生電荷耦合電荷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移結(jié)束463）電荷讀出）電荷讀出 CCD信號電荷的讀出通常采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)。3：輸出電極； R：復位脈沖，控制電荷的輸出；V0：輸出電壓；

23、a：復位電平；復位電平；b：饋通電平；：饋通電平；c：參考電平；：參考電平；d：信：信號電壓號電壓輸出輸出電路電路輸出輸出波形波形473）R正脈沖結(jié)束，T1截止，存儲在勢阱中的信號電荷流向高電位，使A點電位下降。信號電荷越多，A點電位下降越多，源極跟隨器T2的輸出電平V0也跟著下降，下降幅度為真正的信號電壓d。 1）電荷包在驅(qū)動脈沖的作用下，進入最后一個勢阱3 。2）復位：復位脈沖R為正，場效應管 T1導通，輸出二極管D反向偏置，二極管極電容充電到Vcc，源極跟隨器T2的輸出電平復位到一個固定且略低于Vcc的正電平上（復位電平a）。 48面陣面陣CCD的信號轉(zhuǎn)移形式的信號轉(zhuǎn)移形式幀轉(zhuǎn)移面陣幀轉(zhuǎn)

24、移面陣CCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)簡單，易增加像素易增加像素數(shù)；數(shù)；CCD尺尺寸較大，易寸較大，易產(chǎn)生垂直拖產(chǎn)生垂直拖影。影。491）幀轉(zhuǎn)移形式）幀轉(zhuǎn)移形式 在第二場積分的同時，暫存區(qū)的驅(qū)動脈沖為行轉(zhuǎn)移脈沖，水平消隱期間，暫存區(qū)將信號電荷逐行轉(zhuǎn)移到水平寄存器讀出； 第一場積分時間內(nèi)，在整個光敏區(qū)形成一個與光強分布相對應的電荷圖像； 發(fā)出幀轉(zhuǎn)移脈沖，光敏區(qū)的信號電荷在垂直消隱期間平移到遮光暫存區(qū)。之后，光敏區(qū)脈沖又處于光積分電平，進行第二場的積分； 已進入讀出寄存器的信號電荷，在行正程期間由水平時鐘驅(qū)動，快速地一行一行讀出； 第一場信號電荷全部讀出時，第二場的信號又從光敏區(qū)平移到暫存區(qū)，光敏區(qū)又

25、開始新一場的積分，暫存區(qū)又將第二場信號一行一行水平讀到寄存器中轉(zhuǎn)移，周而復始。50行間轉(zhuǎn)移CCD面陣結(jié)構(gòu) 每列光敏單元的右邊是一一對應的垂直移位寄存器，二者之間由轉(zhuǎn)移柵控制，底部仍是一個水平讀出寄存器，其單元數(shù)等于垂直寄存器的個數(shù)。多采用二相形式，隔行掃描容易實現(xiàn)。行間轉(zhuǎn)移型是主流產(chǎn)品。 2）行間轉(zhuǎn)移形式）行間轉(zhuǎn)移形式 513）開關(guān)選擇形式）開關(guān)選擇形式 開關(guān)選擇型CCD由水平和垂直控制電路控制一個行開關(guān)和一個列開關(guān)，被選中的CCD單元上的信號，經(jīng)閉合的開關(guān)傳輸?shù)捷敵龆恕０凑找欢ǖ捻樞蚺帕薪M合，即可在輸出端得到一幅圖像的信號序列。 開關(guān)選擇型開關(guān)選擇型CCD52u CMOS （Compleme

26、ntary Metal- Oxide Semiconductor ） 20世紀80年代中期，CMOS技術(shù)逐漸成熟，采用標準CMOS技術(shù)生產(chǎn)具有高質(zhì)量實用像元的固體成像光電器件成為可能。1997年，已有用0.15um設計規(guī)則試制成功高集成度元件的報道。l CMOS像素結(jié)構(gòu)像素結(jié)構(gòu) CMOS成像器件的像素電路可以分為無源像素型和有源像素型，具體有光電二極管無源像素結(jié)構(gòu)，光電二極管有源像素結(jié)構(gòu)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)三種。PPS: passive pixel styleAPS: active pixel style53開光管閉合時，列線電壓保持一個常數(shù)，然后在讀出信號的控制下，將與光信號成正比的電荷，由

27、電荷積分放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出。無源像素結(jié)構(gòu)填充系數(shù)高，量子效率高，但是由于傳輸線電容較大，使背景噪聲增大（約250個均方根電子）。光電二極管無源像素結(jié)構(gòu)光電二極管無源像素結(jié)構(gòu)開關(guān)管開關(guān)管54光電二極管有源像素結(jié)構(gòu)光電二極管有源像素結(jié)構(gòu)有源放有源放大器大器 通過在像元內(nèi)引入緩沖器或有源放大器可以改善像元性能。由于每個放大器僅在讀出期間被激發(fā)，所以，CMOS有源像素傳感器的功耗比CCD小。光電二極管型有源像素量子效率高，讀出噪聲較無源型有所降低，為75100個均方根電子。55 光柵型有源像素傳感器結(jié)合了CCD和二維尋址的優(yōu)點：光生信號電荷收集在光柵PG下，輸出前，先由浮置擴散節(jié)點A復位，然后改變光

28、柵脈沖，使收集在光柵下的信號電荷轉(zhuǎn)移到擴散節(jié)點。復位電壓水平與信號電壓水平之差為傳感器的輸出信號。暗電流噪聲小，成像速度高暗電流噪聲小，成像速度高光柵型有源像素結(jié)構(gòu)光柵型有源像素結(jié)構(gòu)復位電壓復位電壓56l CMOS像素總體結(jié)構(gòu)和像素總體結(jié)構(gòu)和工作過程工作過程 可以選擇不同的信號讀取模式：窗口讀取模式和跳躍讀取模式，二者結(jié)合可以實現(xiàn)電子全景攝像，傾斜攝像和可變焦攝像。 外界光線照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應的行像素單元，行像素內(nèi)的信號電荷通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄哪M信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字圖像信號輸出。57l CCD與與CMO

29、S器件的比較器件的比較 20世紀70年代末90年代初：CCD器件光照靈敏度高、噪聲低、像素面積?。ㄗ⒁猓篊CD器件不易與驅(qū)動電路和信號處理電路集成是其主要弱點）；CMOS器件由于工藝問題，靈敏度不高，噪聲大，CCD器件明顯占優(yōu)勢。 90年代中期以后： CMOS器件的制造工藝有了突破，大大改善了CMOS器件的成像質(zhì)量。其集成能力強，體積小，工作電壓單一，功耗低，成本低，動態(tài)范圍寬，抗輻射等優(yōu)點顯得更加突出。 目前CMOS單元面積的像素已與CCD相當，如果信噪比再提高10dB，光照靈敏度再提高45倍，CMOS器件取代CCD也并非不無可能。58CCD與CMOS數(shù)碼相機芯片的典型性能比較595.6.3

30、 曝光控制曝光控制 同傳統(tǒng)照相機類似，數(shù)碼相機也需要進行曝光控制，獲得合適的曝光量。但是，由于用光電器件代替了膠片，使得二者之間的曝光控制稍有不同。 光電成像器件的曝光寬容度比傳統(tǒng)化學膠片的曝光寬容度小，所以，傳統(tǒng)相機的曝光誤差要求是小于0.51EV，而高檔數(shù)碼相機的曝光誤差要求在0.3EV左右。 60 數(shù)碼相機的曝光控制也是通過光圈與快門進行控制：光圈位于成像光學物鏡之中，用于控制鏡頭的相對通光孔徑；快門有全電子式快門和機械式快門兩種形式，用以控制曝光的時間。 l 光圈控制 光圈控制關(guān)鍵在于光圈數(shù)F大小的設計。fFDf 是鏡頭的焦距，D為鏡頭的入瞳直徑 F數(shù)設計得越小，低照條件下成像器件的光

31、電靈敏度越高，但是，球面光學像差矯正困難，而且鏡頭光學結(jié)構(gòu)變復雜，制造成本增高；F數(shù)增大，系統(tǒng)的光學彌散圓增大，不利于產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。數(shù)碼相機常見的F數(shù)范圍是F1.4，F(xiàn)2.0，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4.0， F5.6，F(xiàn)8.0。 61l 快門控制 數(shù)碼相機的快門與傳統(tǒng)相機相比，主要采用集成在光電成像器件上的全電子快門，也有部分數(shù)碼相機還具有輔助的機械快門。 1）全電子快門 全電子快門是完全通過對光電模擬電量讀取時間的控制來控制曝光時間，速度可以輕松達到微秒量級。其實現(xiàn)方式有三種：行轉(zhuǎn)移電子快門 、幅轉(zhuǎn)移電子快門 、狹縫電子快門 。62 行轉(zhuǎn)移電子快門用像素感光面與該像素相鄰的存儲單元來實現(xiàn)快門的功能

32、。 a）行轉(zhuǎn)移電子快門）行轉(zhuǎn)移電子快門特點：速度高，噪聲低（感光面向存儲單元轉(zhuǎn)移的空間距離很短，僅需一個時鐘周期），但是由于存儲單元占用像素面積，感光靈敏度低。行轉(zhuǎn)移電子快門行轉(zhuǎn)移電子快門 63b）幅轉(zhuǎn)移電子快門）幅轉(zhuǎn)移電子快門 幅轉(zhuǎn)移電子快門的存儲單元物理結(jié)構(gòu)上遠離感光單元，光電信息由像素感光面向相應存儲單元轉(zhuǎn)移時，需要經(jīng)過相鄰像素的傳遞，圖像信號的傳遞需要多個時鐘周期，總像素越高，需要的傳遞時間越大。幅轉(zhuǎn)移電子快門幅轉(zhuǎn)移電子快門特點：感光靈敏度高，速度降低，光電轉(zhuǎn)換和電信號傳輸功能相互干擾，使抗噪能力減弱。64c）狹縫電子快門）狹縫電子快門 狹縫式電子快門在成像器件上不存在信息存儲單元。復

33、位時鐘控制曝光，信號的讀出由轉(zhuǎn)移時鐘控制，通過列放大器直接輸出。特點：速度快（開關(guān)特性），感光靈敏度高，抗噪聲能力強，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，綜合性能好，但是，不是同時曝光，拍攝運動物體時易發(fā)生變形。狹縫電子快門狹縫電子快門65 2）機械快門 數(shù)碼相機的機械快門一般是作為輔助構(gòu)件，其動作均由系統(tǒng)CPU控制，所以，與傳統(tǒng)相機的電子快門有相似之處。機械快門的速度通常在1/151/500s之間。數(shù)碼相機的全遮光瞬間是記錄暗電流。66l 自動曝光 數(shù)碼相機的自動曝光系統(tǒng)是一個TTL（Through The Lens）測光和控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)運用成像光電器件實時獲取被攝景物照度信息，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，信號合成，CP

34、U分析等實時處理后，通過實時反饋，控制光學系統(tǒng)的相對孔徑、成像器件的電子快門和信號放大增益，獲得合適的曝光量。曝光量合成公式 12kL GSF （5-6）為曝光量合成值，k1為常數(shù)，L為景物，亮度，S為快門速度，G為電路增益，F(xiàn)為鏡頭光圈數(shù)。67數(shù)碼相機的測光取樣方式數(shù)碼相機的測光取樣方式大多數(shù)被測物體大多數(shù)被測物體處于該區(qū)域中處于該區(qū)域中整個畫面采樣，整個畫面采樣，采樣空間頻率低采樣空間頻率低于中央測光于中央測光靈活，根據(jù)不同靈活，根據(jù)不同位置，選擇不同位置，選擇不同權(quán)因子權(quán)因子68具體的曝光控制流程初始化曝光控制參數(shù)：G、S、F，讀取當前的曝光量合成值(i) ；根據(jù) 計算景物亮度，由此亮度

35、查詢表格中接近正確曝光的位置n(i)； 21( )( )iFL ikGS 根據(jù)地址n(i)獲得參數(shù)G(i) ，s(i)，F(xiàn)(i)，并由這些參數(shù)控制系統(tǒng)曝光得到(i+1) ； 重復第二步，查詢n(i1)地址中的曝光參數(shù) ；重復循環(huán)幾次，即可得到最終能夠正確控制曝光的數(shù)據(jù)。 695. 6.4 自動對焦系統(tǒng)自動對焦系統(tǒng) 數(shù)碼相機的自動對焦技術(shù)是以CCD獲取的數(shù)字圖像為對焦基數(shù)字圖像為對焦基本信息本信息，利用數(shù)字圖像的處理和分析進行智能化對焦的技術(shù)。 用CCD將景物圖像信息以數(shù)字形式記錄下來； 用專用處理器處理離焦和模糊圖像，給出評價因子； 根據(jù)評價函數(shù)的特征確定準焦位置，由反饋系統(tǒng)控制伺服電機驅(qū)動成像透鏡移動。l 對焦深度法： “自動對焦”或“軟件對焦”，是建立在搜尋過程上的對焦方式，通過一系列對焦并逐漸準確的圖像（10幅以上）確定物點至相機的距離。l 離焦深度法：從離焦圖像中獲取物體深度信息，需要建立離焦模型對圖像的局部區(qū)域進行處理分析，相機需要精確校準。705.6.5 數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理 DSP電路（中央處理器）是數(shù)碼相機的大腦，幾乎控制著所有電子元件的工作，包括CCD、A/D轉(zhuǎn)換器件、LCD以及數(shù)碼相機中的各種控制面板。圖像通道是DSP的一個處理通道，可以進行多種高強度、高速度、多方位的圖像處理過程，提高圖像質(zhì)量。71l 黑色補償消除噪聲黑色補