數字攝像頭基礎知識新編

　　一、CCD

　　1.簡(jiǎn)述

　　CCD(Charge Coupled Device)，即“電荷耦合器件”，以百萬(wàn)像素為單位。數碼相機規格中的多少百萬(wàn)像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運用于掃描儀、復印機以及無(wú)膠片相機等設備。與膠卷的原理相似，光線(xiàn)穿過(guò)一個(gè)鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒(méi)有能力記錄圖形數據，也沒(méi)有能力永久保存下來(lái)，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數據都會(huì )不停留地送入一個(gè)“模-數”轉換器，一個(gè)信號處理器以及一個(gè)存儲設備(比如內存芯片或內存卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有2×2平方英寸。

　　2.CCD的成像原理

　　CCD成像的過(guò)程是這樣的：CCD表面被覆的硅半導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出到模數電路中，再經(jīng)過(guò)DSP等成像電路形成圖像。fast scan 和slow scan最大的區別就在于光生電子導出的速度和電路系統上不同。fast scan 導出電子的頻率非�？�，以便能達到視頻級的刷新率，但這將導致電子丟失、噪聲增多、光生電子清空不徹底;而slow scan 則相反，它的電路設計重在對光生電子積蓄的保護上，導出的頻率不高，但保證傳出過(guò)程中電子丟失和損耗降到極小，它的模數轉換器動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度極高，保證了信號轉換過(guò)程不失真，同時(shí)為了減低熱效應產(chǎn)生的噪聲，一般使用Cooling 系統降溫。

　　看了上面的解釋我們可以知道專(zhuān)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(kāi)始、到光生電子的積蓄、到電子的導出電路、傳輸電路、模數轉換電路、圖像顯示電路、Cooling電路，每一步專(zhuān)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(gè)，專(zhuān)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(lái)說(shuō)，民用級攝像頭或數碼相機只能反映50%以下的光信號。

　　3.評價(jià)CCD的基本指標

　　主要包括信噪比、冷卻溫度、像素值等

　　3.1信噪比(SNR)

　　信噪比真實(shí)體現攝像頭的檢測能力。所有的CCD攝像頭的廠(chǎng)家為提高攝像頭的性能，都盡力使信號(可達到滿(mǎn)井電子的數目)最大同時(shí)盡可能減少噪音。

　　SNR=滿(mǎn)井電子/噪音電子=動(dòng)態(tài)范圍=最大灰階=2bit數

　　3.2冷卻溫度

　　在相同滿(mǎn)井電子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的監測能力，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(guò)5-10秒，CCD芯片就會(huì )發(fā)熱，沒(méi)有致冷設備的芯片，“熱”或者白的像素點(diǎn)就會(huì )遮蓋圖像，圖像到處可見(jiàn)雪花。-20°C的攝像頭可以拍攝高達5分鐘的圖像，-40°C的攝像頭拍攝時(shí)間可以超過(guò)1小時(shí)。

　　CCD結構設計、數字化的方法等都會(huì )影響噪音的產(chǎn)生。通過(guò)改善結構、優(yōu)化方法，同樣能減少噪音的產(chǎn)生。

　　3.3像素面積

　　這個(gè)指標是在芯片的一個(gè)重要指標。像素面積越大、對光越靈敏。因為像素點(diǎn)面積有更多電子，能產(chǎn)生更多信號。大像素點(diǎn)增加靈敏度、小的像素點(diǎn)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(zhù)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(dòng)態(tài)范圍越窄，因此這種方法不能無(wú)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(huì )引起圖像質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時(shí)想維持現有的圖像質(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(lái)，這一矛盾對于CCD而言是難以克服的。

　　二、CMOS

　　CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統內一種重要的芯片，保存了系統引導所需的大量資料。CMOS傳感器便于大規模生產(chǎn)，且速度快，成本較低，是數碼相機關(guān)鍵器件的發(fā)展方向之一。

　　三、幾個(gè)重要參數

　　1. 白平衡 (White Balance)

　　在不同光源下，因色溫不同，拍攝出來(lái)的相片會(huì )偏色。如色溫低時(shí)光線(xiàn)中的紅，黃色光含量較多，所拍的照片色調會(huì )偏紅，黃色調，色文高時(shí)光線(xiàn)中的藍、綠色較多，照片會(huì )偏藍、綠色調。此時(shí)便需要利用白平衡功能來(lái)作修正，其原理是控制光線(xiàn)中紅，綠及藍三元色的明亮度，使影像中最大光位達到純白，便能令其它色彩準確。

　　2. 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?chē)�像素色彩的基礎上用數學(xué)公式計算丟失像素的色彩。有些相機使用插值，人為地增加圖像的分辨系。

　　3. Bit(位)

　　這是計算機圖像中的術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述生成的圖像所能包含的顏色數�！吧疃仁�8位”意味著(zhù)圖像只含有256種顏色�，F在的數碼相機，每一種顏色的顏色深度都是8位。由于每一個(gè)像素的顏色都是是由紅色、綠色和藍色三種顏色混合而成的，所以圖像包含的顏色可達256×256×256共計1.67億種，也就是所謂的24位色。

　　4. TWAIN

　　這是數字照相技術(shù)中非常常見(jiàn)的一個(gè)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(shuō)，PaintShopPro，這是一個(gè)很好的圖像處理方面的共享軟件，它就可以和TWAIN設備協(xié)同工作。所以你可以在PaintShopPro中直接使用數碼相機中的圖像。TWAIN設備包括掃描儀，傳真機，當然，還有數碼相機。

　　四、比較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(shí)驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數字相機，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。數字相機無(wú)需膠卷和沖洗、可重復拍攝和即時(shí)調整;影像可無(wú)限次復制且不會(huì )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(lái)了一場(chǎng)革命。

　　而后，有人發(fā)現，將計算機系統里的一種芯片進(jìn)行加工也可以作為數字相機中的感光傳感器，即CMOS，其便于大規模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢(mèng)寐以求的。業(yè)內人士分析，它在不久的將來(lái)可能取代CCD，如今兩者依然共存。許多人認為：“感光傳感器，尤其是CCD，是攝像頭最最核心的部件，是數字相機的心臟�！倍�事實(shí)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(guò)鏡頭的光線(xiàn)捕獲并轉換為電子信號，與其說(shuō)是數字相機的心臟，不如說(shuō)是數字相機的眼睛。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位置，尤其是在越高端的領(lǐng)域這一特性表現越為突出。

　　從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：

　　1.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(shí)施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡(jiǎn)單。

　　2.速度

　　CCD電荷耦合器需在同步時(shí)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(shí)就可以取出電信號，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

　　3.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(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優(yōu)勢。

　　4.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、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(cháng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著(zhù)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。

　　5.此外，CCD與CMOS兩種傳感器在“內部結構”和“外部結構”上都是不同的：

　　5.1內部結構(傳感器本身的結構)

　　CCD的成像點(diǎn)為X-Y縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲區組成。光電二極管將光線(xiàn)(光量子)轉換為電荷(電子)，聚集的電子數量與光線(xiàn)的強度成正比。在讀取這些電荷時(shí)，各行數據被移動(dòng)到垂直電荷傳輸方向的緩存器中。每行的電荷信息被連續讀出，再通過(guò)電荷/電壓轉換器和放大器傳感。這種構造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、高性能的特點(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號、偏壓技術(shù)，因此整個(gè)構造復雜，增大了耗電量，也增加了成本。

　　CMOS傳感器周?chē)�的電子器件，如數字邏輯電路、時(shí)鐘驅動(dòng)器以及模/數轉換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構造如同一個(gè)存儲器，每個(gè)成像點(diǎn)包含一個(gè)光電二極管、一個(gè)電荷/電壓轉換單元、一個(gè)重新設置和選擇晶體管，以及一個(gè)放大器，覆蓋在整個(gè)傳感器上的是金屬互連器(計時(shí)應用和讀取信號)以及縱向排列的輸出信號互連器，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的X-Y尋址技術(shù)讀取信號。

　　5.2外部結構(傳感器在產(chǎn)品上的應用結構)

　　CCD電荷耦合器需在同步時(shí)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(shí)就可以取出電信號，還能同時(shí)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體廠(chǎng)家生產(chǎn)集成電路的流程，可以將數字相機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、模數轉換器、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(diǎn)。只需要一個(gè)芯片就可以實(shí)現很多功能，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉換系統的整體成本很低。

　　五、什么是數字攝像頭

　　所有CCD芯片都屬于模擬元件，但當圖像數據進(jìn)入計算機時(shí)卻是數字信號。如果數據是在攝像頭、采集卡兩部分完成數字化的，這個(gè)攝像頭就是模擬攝像頭。而數字攝像頭則是在攝像頭內部完成數字化的，這樣可以減少圖像的噪音。與模擬攝像頭相比，數字攝像頭顯著(zhù)提高了攝像頭的信噪比、增加了攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍�？茖W(xué)研究級的絕大多數的CCD/CMOS芯片都是由Kodak、Sony、SIT制造的。

　　六、CCD與COMS的分類(lèi)

　　CCD與CMOS按成像過(guò)程可以分為2大類(lèi)：動(dòng)態(tài)(fast scan)和靜態(tài)(slow scan);按應用場(chǎng)合不同可以分為專(zhuān)業(yè)級和民用級。常見(jiàn)的視頻聊天攝像頭(如羅技)與各種數字相機使用的分別是民用級動(dòng)態(tài)和靜態(tài)CCD/CMOS