數(shù)字?jǐn)z像頭的基本知識(shí)

CCD
CCD(Charge Coupled Device)，即“電荷耦合器件”，以百萬(wàn)像素為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)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(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(wú)膠片相機(jī)等設(shè)備。與膠卷的原理相似，光線穿過(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既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力長(zhǎng)久保存下來(lái)，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會(huì)不停留地送入一個(gè)“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號(hào)處理器以及一個(gè)存儲(chǔ)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，*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(jì)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(lái)的相片會(huì)偏色。如色溫低時(shí)光線中的紅，黃色光含量較多，所拍的照片色調(diào)會(huì)偏紅，黃色調(diào)，色文高時(shí)光線中的藍(lán)、綠色較多，照片會(huì)偏藍(lán)、綠色調(diào)。此時(shí)便需要利用白平衡功能來(lái)作修正，其原理是控制光線中紅，綠及藍(lán)三元色的明亮度，使影像中*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(jì)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(jì)算機(jī)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(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(gè)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(jì)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(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(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(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)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(gè)全新領(lǐng)域。數(shù)字相機(jī)無(wú)需膠卷和沖洗、可重復(fù)拍攝和即時(shí)調(diào)整；影像可無(wú)限次復(fù)制且不會(huì)降低質(zhì)量，方便長(zhǎng)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)**。
而后，有人發(fā)現(xiàn)，將計(jì)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(mèng)寐以求的。業(yè)內(nèi)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(rèn)為：
“感光傳感器，尤其是CCD，是攝像頭**核心的部件，是數(shù)字相機(jī)的心臟。”
而事實(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)鏡頭的光線捕獲并轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，與其說(shuō)是數(shù)字相機(jī)的心臟，不如說(shuō)是數(shù)字相機(jī)的眼睛。在研究級(jí)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**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(gè)方面的不同：
信息讀取方式
CCD電荷耦合器存儲(chǔ)的電荷信息，需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)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(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(hào)，信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單。
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(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，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。
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(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)。
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(duì)CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。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(duì)圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度上等的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(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(chǔ)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(shí)，各行數(shù)據(jù)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(xù)讀出，再通過(guò)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(diǎn)。但是生產(chǎn)CCD需采用時(shí)鐘信號(hào)、偏壓技術(shù)，因此整個(gè)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(shí)鐘驅(qū)動(dòng)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(gè)存儲(chǔ)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(zhuǎn)換單元、一個(gè)重新設(shè)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(jì)時(shí)應(yīng)用和讀取信號(hào)）以及縱向排列的輸出信號(hào)互連器，它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的X－Y尋址技術(shù)讀取信號(hào)。
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(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(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，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(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(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信號(hào)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(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(jì)算機(jī)時(shí)卻是數(shù)字信號(hào)。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(gè)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(dòng)態(tài)范圍、*大化圖像灰度范圍?？茖W(xué)研究級(jí)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(guò)程可以分為2大類：動(dòng)態(tài)（fast scan）和靜態(tài)（slow scan）；按應(yīng)用場(chǎng)合不同可以分為專業(yè)級(jí)和民用級(jí)。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(jí)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)CCD/CMOS。
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(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(guò)DSP等成像電路形成圖像。fast scan 和slow scan*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(jí)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(jì)重在對(duì)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(guò)程中電子丟失和損耗降到極小，它的模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度極高，保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程不失真，同時(shí)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(jí)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(jí)科研攝像頭的工藝都和民用級(jí)的不同，成本都在幾十倍到幾百倍以上。目的只有一個(gè)，專業(yè)級(jí)攝像頭能盡可能完整的采集到所有的光信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，民用級(jí)攝像頭或數(shù)碼相機(jī)只能反映50%以下的光信號(hào)。
評(píng)價(jià)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(shí)體現(xiàn)攝像頭的檢測(cè)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(hào)（可達(dá)到滿井電子的數(shù)目）*大同時(shí)盡可能減少噪音。
SNR=滿井電子/噪音電子=動(dòng)態(tài)范圍=*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(cè)能力，熱或者暗電流對(duì)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，沒有致冷設(shè)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(shí)間可以超過(guò)1小時(shí)。
CCD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)字化的方法等都會(huì)影響噪音的產(chǎn)生。通過(guò)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(gè)指標(biāo)是在芯片的一個(gè)重要指標(biāo)。像素面積越大、對(duì)光越靈敏。因?yàn)橄袼攸c(diǎn)面積有更多電子，能產(chǎn)生更多信號(hào)。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(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(lái)，這一矛盾對(duì)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(gè)級(jí)別的產(chǎn)品。具體到實(shí)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(dòng)曝光功能，在不同光源的情況下拍出來(lái)的圖像都不一樣，很難定性，如要測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)覽功能。
在特殊照明條件下，如熒光，暗場(chǎng)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(huì)導(dǎo)致電子丟失、損耗等，使得不能完全捕捉到信號(hào)，對(duì)結(jié)果的分析不是很準(zhǔn)確！