無人機傳感器與檢測技術課件：圖像傳感器認知

圖像傳感器認知

圖3-1南半球上方火星影像

圖3-2北半球上方火星影像項目描述云臺相機是航拍無人機不可或缺的設備之一，而圖像傳感器則是云臺相機的核心部件。圖像傳感器又稱感光元件，是利用傳感器的光-電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光信號圖像轉(zhuǎn)換成與之成比例的電信號圖像的一種功能器件。固態(tài)圖像傳感器是由在單晶硅襯底上布設若干光敏單元和移位寄存器集成制成功能化光電轉(zhuǎn)移器件，光敏單元也稱為像素。一般可分為兩種，一種是CCD，一種是CMOS。無人機上搭載的云臺相機一般為CMOS圖像傳感器，如DJIInspire2、DJIPhantom4A/4P、XiroXplorer4K上的云臺相機都搭載CMOS圖像傳感器。圖像傳感器又稱感光元件光-電轉(zhuǎn)換CCD（Charge-Coupled

Devices，電荷耦合器件）圖像傳感器CMOS（Complementary

Metal

OxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器本項目擬通過對圖像傳感器的特性調(diào)研、圖像傳感器模塊功能測試實驗和無人機云臺相機拍攝操作等工作任務，增強學生規(guī)范操作、團隊協(xié)作意識，讓學生認識圖像傳感器、掌握圖像傳感器的基本特性、會用圖像傳感器模塊拍攝照片，會用無人機拍攝高清視頻。任務一CCD圖像傳感器認知任務描述

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）圖像傳感器是固態(tài)圖像傳感器的一種，是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的半導體傳感器。它是在MOS集成電路基礎上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲、延時和按順序傳送，能實現(xiàn)視覺功能的擴展，能給出直觀真實、多層次的、內(nèi)容豐富的可視圖像信息。本任務旨在通過對CCD圖像傳感器的工作原理、特性參數(shù)的調(diào)研來實現(xiàn)對傳感器的認知。任務實施1)列舉生活中使用CCD圖像傳感器的設備，并說明該設備的應用場合及主要目的。2)查閱資料，小組總結匯報CCD圖像傳感器的工作原理和像素、工作條件等特性參數(shù)。實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，信息儲存、延時、傳輸、處理等功能。優(yōu)點：低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等缺點：成本高、功耗大應用：在交通、醫(yī)療等高端領域中廣泛應用CCD屬于固態(tài)圖像傳感器的一種。知識鏈接MOS電容器陣列輸入+輸出二極管CCD芯片光生電荷一、CCD芯片的工作原理二松下DMC-L1圖像傳感器夏普公司的1/2.5英寸700萬像素級CCD圖像傳感器型號為RJ23U3BA0ETCCD圖像傳感器產(chǎn)品面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換濾光片CCD面陣

存儲顯示景物透鏡放大器二、CCD圖像傳感器的結構型式光積蓄式結構分離式結構圖像容易模糊不清對藍光的透過率差光電二極管陣列電注入法圖像清晰不會燒傷感光面CCD電容器陣列移位寄存器光敏元器件與移位寄存器分離式結構轉(zhuǎn)移柵光敏單元移位寄存器輸出單讀式雙讀式轉(zhuǎn)移柵移位寄存器1

移位寄存器2輸出光敏單元2048位MOS電容器線陣CCD內(nèi)部框圖線陣CCD圖像傳感器的應用掃描儀字符識別面陣CCD圖像傳感器的應用數(shù)碼攝像機CCD圖像傳感器的特點與用途CCD圖像傳感器輸出信號特點1）所見即所得2）能輸出景象亮暗點陣分布模擬信號3）能輸出焦點面景象精確信號知識拓展時間系列信號模擬信號焦點面信號濾光片光導纖維平行光顏色濃淡位置形狀距離透鏡CCD圖像傳感器的輸出特點中介物可測對象CCD圖像傳感器的用途2）作為光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，可用于傳真技術、光學文字識別技術以及圖像識別技術、傳真、攝像等方面。1）組成測試儀器，可測量物位、尺寸、工件損傷等。測量玻璃管的直徑與壁厚字符識別車牌識別3）作為自動流水線裝置中的敏感器件，可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以及自動監(jiān)視裝置等方面。4）可作為機器人的視覺。CCD圖像傳感器應用實例醫(yī)療交通掃描儀數(shù)碼相機科學研究

圖像傳感器認知

圖3-1南半球上方火星影像

圖3-2北半球上方火星影像任務二CMOS圖像傳感器認知任務描述

與CCD圖像傳感器是由MOS電容器組成的陣列不同，互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）圖像傳感器是由按一定規(guī)律排列的互補型金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）組成的陣列。本任務旨在通過對CMOS圖像傳感器模塊的特性參數(shù)調(diào)研來實現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的認知。任務實施1)實驗室準備如圖3-8所示的OV7670CMOS圖像傳感器模塊。2)熟悉OV7670圖像傳感器模塊，查閱資料，匯報OV7670圖像傳感器的特性及各引腳含義。3)查閱資料，收集CMOS圖像傳感器模塊的種類、性能參數(shù)等資料，并填寫表3-2。

互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的互補型金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）組成的陣列。知識鏈接場效應晶體管（FET）是利用半導體表面的電場效應進行工作的，也稱為表面場效應器件MOSFET：以二氧化硅為絕緣層的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管CMOS型放大器由NMOS場效應晶體管和PMOS場效應晶體管組合而成一、CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件CMOS型放大器光電變換器件感光部分Р型半導體襯底輸出柵漏（N+層）P-Si襯底SiO2膜源（N+層）R產(chǎn)生并積蓄光生電荷在柵源之間加上開啟電壓，光信號轉(zhuǎn)換為電信號。二、CMOS圖像傳感器的結構及原理CMOS線型圖像傳感器1個光電二極管+1個CMOS型放大器=1個像素CMOS面型圖像傳感器由光電二極管和CMOS型放大器組成的二維像素矩陣CMOS和CCD傳感器的差異（1）靈敏度的差異：CMOS傳感器的每個像素由四個晶體管和一個感光二極管構成，使得每個像素的感光區(qū)域遠小于像素本身的表面積，因此在像素尺寸相同的情況下，CCD傳感器的靈敏度要高于CMOS傳感器。

（2）分辨率的差異：CMOS傳感器的每個像素都比CCD傳感器復雜，其像素尺寸很難達到CCD傳感器的水平，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS傳感器時，CCD傳感器的分辨率通常會優(yōu)于CMOS傳感器。知識拓展（3）噪聲的差異：由于CMOS傳感器的每個感光二極管都需搭配一個放大器，而放大器屬于模擬電路，很難讓每個放大器所得到的結果保持一致，因此與只有一個放大器放在芯片邊緣的CCD傳感器相比，CMOS傳感器的噪聲就會增加很多，影響圖像品質(zhì)。（4）功耗的差異：CMOS傳感器的感光二極管所產(chǎn)生的電荷會直接由晶體管放大輸出，但CCD傳感器需外加12~18V電壓讓每個像素中的電荷移動。另一方面，CCD傳感器的MOS電容器有靜態(tài)電量消耗，而CMOS幾乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在有光照電路接通時才有電量的消耗。因此，CMOS傳感器的耗電量只有普通CCD傳感器的1/3左右。（5）成本的差異：CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timinggenerator、或DSP等)集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD傳感器采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，只要其中有一個像素不能運行，就會導致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，因此控制CCD傳感器的成品率比CMOS傳感器困難許多。因此，CCD傳感器的成本高于CMOS傳感器。

圖像傳感器認知

圖3-1南半球上方火星影像

圖3-2北半球上方火星影像任務三無人機用圖像傳感器認知任務描述

航拍無人機必須配備云臺相機，云臺在無人機航拍過程中起平衡與穩(wěn)定的作用，是相機的穩(wěn)定器。本任務旨在通過對云臺相機的操作達到熟練運用無人機圖像傳感器的目的。任務實施1)實驗室準備DJIPhantom4A等航拍無人機。2)熟悉無人機云臺相機的性能參數(shù)，操作方法。3)安裝電池、槳葉等配件，戶外實拍照片和視頻。4)查閱相關資料，收集無人機云臺相機的種類、特點、使用條件等資料，總結無人機圖像傳感器的特性，并填寫表3-4。一、無人機云臺相機DJIAir2S知識鏈接DJIZENMUSEX7云臺相機P點的深度二、無人機雙目立體視覺系統(tǒng)雙目立體視覺是基于視差原理并利用成像設備從不同的位置獲取被測物體的兩幅