冷冰川 的 [資料]數(shù)字?jǐn)z像頭基礎(chǔ)知識
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數(shù)字?jǐn)z像頭基礎(chǔ)知識
CCD
CCD(Charge Coupled Device)，即“電荷耦合器件”，以百萬像素為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)以及無膠片相機(jī)等設(shè)備。與膠卷的原理相似，光線穿過一個鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會不停留地送入一個“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個信號處理器以及一個存儲設(shè)備(比如內(nèi)存芯片或內(nèi)存卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有2×2平方英寸。
CMOS
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。它是計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。CMOS傳感器便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快，成本較低，是數(shù)碼相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向之一。
白平衡（White Balance）
在不同光源下，因色溫不同，拍攝出來的相片會偏色。如色溫低時光線中的紅，黃色光含量較多，所拍的照片色調(diào)會偏紅，黃色調(diào)，色文高時光線中的藍(lán)、綠色較多，照片會偏藍(lán)、綠色調(diào)。此時便需要利用白平衡功能來作修正，其原理是控制光線中紅，綠及藍(lán)三元色的明亮度，使影像中最大光位達(dá)到純白，便能令其它色彩準(zhǔn)確。
插值（Interpolation）
在不生成像素的情況下增加圖像像素大小的一種方法，在周圍像素色彩的基礎(chǔ)上用數(shù)學(xué)公式計算丟失像素的色彩。有些相機(jī)使用插值，人為地增加圖像的分辨系。
Bit（位）
這是計算機(jī)圖像中的術(shù)語，用來描述生成的圖像所能包含的顏色數(shù)。“深度是8位”意味著圖像只含有256種顏色?，F(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī)，每一種顏色的顏色深度都是8位。由于每一個像素的顏色都是是由紅色、綠色和藍(lán)色三種顏色混合而成的，所以圖像包含的顏色可達(dá)256×256×256共計1.67億種，也就是所謂的24位色。
TWAIN
這是數(shù)字照相技術(shù)中非常常見的一個詞。TWAIN是指一種特殊的軟件，有了它，其他與TWAIN兼容的軟件就可以共享圖像資源了。比如說，PaintShopPro，這是一個很好的圖像處理方面的共享軟件，它就可以和TWAIN設(shè)備協(xié)同工作。所以你可以在PaintShopPro中直接使用數(shù)碼相機(jī)中的圖像。TWAIN設(shè)備包括掃描儀，傳真機(jī)，當(dāng)然，還有數(shù)碼相機(jī)。
區(qū)分CCD與CMOS
1970年是影像處理行業(yè)具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)字相機(jī)，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個全新領(lǐng)域。數(shù)字相機(jī)無需膠卷和沖洗、可重復(fù)拍攝和即時調(diào)整；影像可無限次復(fù)制且不會降低質(zhì)量，方便永久保存，并可用于電子傳送和處理。它的誕生給影像處理業(yè)帶來了一場革命。
而后，有人發(fā)現(xiàn)，將計算機(jī)系統(tǒng)里的一種芯片進(jìn)行加工也可以作為數(shù)字相機(jī)中的感光傳感器，即CMOS，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。業(yè)內(nèi)人士分析，它在不久的將來可能取代CCD，如今兩者依然共存。許多人認(rèn)為：
“感光傳感器，尤其是CCD，是攝像頭最最核心的部件，是數(shù)字相機(jī)的心臟。”
而事實并非如此：感光傳感器，尤其是CCD，在攝像頭中的功能是將透過鏡頭的光線捕獲并轉(zhuǎn)換為電子信號，與其說是數(shù)字相機(jī)的心臟，不如說是數(shù)字相機(jī)的眼睛。在研究級攝像頭中，CCD或CMOS感光傳感器雖然是十分重要的元部件，在很大程度上決定了攝像頭的像素，但CCD/CMOS芯片在攝像頭的成本中并不占主導(dǎo)位置，尤其是在越高端的領(lǐng)域這一特性表現(xiàn)越為突出。
從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個方面的不同：
信息讀取方式
CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。
速度
CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。
電源及耗電量
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢。
成像質(zhì)量
CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時間無法進(jìn)入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
此外，CCD與CMOS兩種傳感器在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”和“外部結(jié)構(gòu)”上都是不同的：
內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）
CCD的成像點為X－Y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區(qū)組成。光電二極管將光線（光量子）轉(zhuǎn)換為電荷（電子），聚集的電子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時，各行數(shù)據(jù)被移動到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能的特點。但是生產(chǎn)CCD需采用時鐘信號、偏壓技術(shù)，因此整個構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本。
CMOS傳感器周圍的電子器件，如數(shù)字邏輯電路、時鐘驅(qū)動器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個存儲器，每個成像點包含一個光電二極管、一個電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元、一個重新設(shè)置和選擇晶體管，以及一個放大器，覆蓋在整個傳感器上的是金屬互連器（計時應(yīng)用和讀取信號）以及縱向排列的輸出信號互連器，它可以通過簡單的X－Y尋址技術(shù)讀取信號。
外部結(jié)構(gòu)（傳感器在產(chǎn)品上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)）
CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。
CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程，可以將數(shù)字相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點。只需要一個芯片就可以實現(xiàn)很多功能，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本很低。
什么是數(shù)字?jǐn)z像頭
所有CCD芯片都屬于模擬元件，但當(dāng)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機(jī)時卻是數(shù)字信號。如果數(shù)據(jù)是在攝像頭、采集卡兩部分完成數(shù)字化的，這個攝像頭就是模擬攝像頭。而數(shù)字?jǐn)z像頭則是在攝像頭內(nèi)部完成數(shù)字化的，這樣可以減少圖像的噪音。與模擬攝像頭相比，數(shù)字?jǐn)z像頭顯著提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍?？茖W(xué)研究級的絕大多數(shù)的CCD/CMOS芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造的。
CCD與COMS的分類
CCD與CMOS按成像過程可以分為2大類：動態(tài)（fast scan）和靜態(tài)（slow scan）；按應(yīng)用場合不同可以分為專業(yè)級和民用級。常見的視頻聊天攝像頭（如羅技）與各種數(shù)字相機(jī)使用的分別是民用級動態(tài)和靜態(tài)CCD/CMOS。
CCD的成像原理
CCD成像的過程是這樣的：CCD表面被覆的硅半導(dǎo)體光敏元件捕獲光子后產(chǎn)生光生電子，這些電子先被積蓄在CCD下方的絕緣層中，然后由控制電路以串行的方式導(dǎo)出到模數(shù)電路中，再經(jīng)過DSP等成像電路形成圖像。fast scan 和slow scan最大的區(qū)別就在于光生電子導(dǎo)出的速度和電路系統(tǒng)上不同。fast scan 導(dǎo)出電子的頻率非常快，以便能達(dá)到視頻級的刷新率，但這將導(dǎo)致電子丟失、噪聲增多、光生電子清空不徹底；而slow scan 則相反，它的電路設(shè)計重在對光生電子積蓄的保護(hù)上，導(dǎo)出的頻率不高，但保證傳出過程中電子丟失和損耗降到極小，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器動態(tài)范圍和靈敏度極高，保證了信號轉(zhuǎn)換過程不失真，同時為了減低熱效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲，一般使用Cooling 系統(tǒng)降溫。
看了上面的解釋我們可以知道專業(yè)級的科研用攝像頭為什么那么貴了，從CCD感光層的材料和面積開始、到光生電子的積蓄、到電子的導(dǎo)出電路、傳輸電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像顯示電路、Cooling電路，每一步專業(yè)級科研攝像頭的工藝都和民用級的不同，成本都在幾十倍到幾百倍以上。目的只有一個，專業(yè)級攝像頭能盡可能完整的采集到所有的光信號。一般來說，民用級攝像頭或數(shù)碼相機(jī)只能反映50%以下的光信號。
評價CCD的基本指標(biāo)
主要包括像素值、信噪比、冷卻溫度等
信噪比（SNR）
信噪比真實體現(xiàn)攝像頭的檢測能力。所有的CCD攝像頭的廠家為提高攝像頭的性能，都盡力使信號（可達(dá)到滿井電子的數(shù)目）最大同時盡可能減少噪音。
SNR=滿井電子/噪音電子=動態(tài)范圍=最大灰階=2bit數(shù)
在相同滿井電子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的監(jiān)測能力，熱或者暗電流對于CCD都是噪音，噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier消除。在曝光超過5-10秒，CCD芯片就會發(fā)熱，沒有致冷設(shè)備的芯片，“熱”或者白的像素點就會遮蓋圖像，圖像到處可見雪花。-20°C的攝像頭可以拍攝高達(dá)5分鐘的圖像，-40°C的攝像頭拍攝時間可以超過1小時。
CCD結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)字化的方法等都會影響噪音的產(chǎn)生。通過改善結(jié)構(gòu)、優(yōu)化方法，同樣能減少噪音的產(chǎn)生。
像素面積
這個指標(biāo)是在芯片的一個重要指標(biāo)。像素面積越大、對光越靈敏。因為像素點面積有更多電子，能產(chǎn)生更多信號。大像素點增加靈敏度、小的像素點增加分辨率。要提高影像質(zhì)量就必須增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情況下，增加像素就意味著要縮小了像素中的光電二極管。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動態(tài)范圍越窄，因此這種方法不能無限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率，只會引起圖像質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時想維持現(xiàn)有的圖像質(zhì)量，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD的總面積。而目前更大尺寸CCD加工制造比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來，這一矛盾對于CCD而言是難以克服的。
攝像頭與數(shù)碼相機(jī)
如前文所述，專業(yè)攝像頭與數(shù)碼相機(jī)在工藝、成本、技術(shù)含量、成像質(zhì)量上差異明顯，不是一個級別的產(chǎn)品。具體到實際應(yīng)用中，數(shù)碼相機(jī)存在以下主要問題：
數(shù)碼相機(jī)有自動曝光功能，在不同光源的情況下拍出來的圖像都不一樣，很難定性，如要測量圖像的面積、光密度等，非要專業(yè)攝像頭莫屬。
數(shù)碼相機(jī)無法實現(xiàn)實時預(yù)覽功能。
在特殊照明條件下，如熒光，暗場條件下難以保證成像質(zhì)量。
在凝膠成像等儀器上如果用數(shù)碼相機(jī)的話會導(dǎo)致電子丟失、損耗等，使得不能完全捕捉到信號，對結(jié)果的分析不是很準(zhǔn)確！
