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1、实物图像?图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像上如何准确地描述一幅图像感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换光电转换设备放大设备实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源显示设备A/D转换CCD sensor后端电路实物图像光子模拟量（电压）电荷日光 监视器CCD sensor相机后端电路模拟相机 +监视器实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光源 PC 模拟采集卡CCD sensor相机后端电路模拟相机 +模拟采集卡实物图像数字量光子模拟量（电压）电荷光
2、源A/D转换CCD sensor相机后端电路 PC数字采集卡数字相机 +数字采集卡由于 光电转换设备 和 放大设备 都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是 CCD 和 CMOSCCD sensor放大A/D光子电子电压数字信号CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤CCD与与CMOS的光电转换示意图的光电转换示意图由上面两图可看出由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMOS的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的CCD与与CMOS比较比较1.由于上面所说的结构，CCD的电路更改就更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改就不方便。但
3、可靠性高。2.CMOS功耗小。3.CMOS躁声大。4.CMOS灵敏度差。5.CMOS速度快。由结构决定。6.成本CMOS便宜一些。从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯片。CCD 芯片的芯片的示意图示意图 CCD芯片的工作方式要经历如下过程：A 有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光 子转化为相应数量的电荷B 这些电荷可以被储存起来C 电荷可以被有秩序地转移出感光区域D 电荷都要经过放大器转化为电压量 CCD单元部分，就是一 个由金属-氧化物-半导体 组成的电容器。这一装置 能够完成光电转换。A 光电转换 当向CCD单元电极施加正电压时
4、，会产生能储存电荷的势阱。由于极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总和，随着电荷的不断注入，势阱会不断变浅，直至饱和B 电荷储存这一过程存在着以下问题：当一个像素聚集过多的电荷后，就会出现电荷溢出 溢出的电荷会跑到相临的像素势阱里去。这样电荷 的电量就不能如实反映原物。也就是常说的blooming 要避免这种情况发生的方法：A 把桶做大些 B 减少测量时间C 把装满水的桶到出一些D 做个导流管，让溢出的水流到地上去，不要流到其他 桶里 对应的方法：A 增大单位像素尺寸B 缩短曝光时间 缺点：对于暗的部分曝光不足C 间歇开关时钟电压 缺点：会降低速度D 溢出沟道和溢出门 缺点：制作
5、复杂，且还有缺陷 所以，增大像素尺寸是最完善的做法增大像素尺寸是最完善的做法。当一个CCD芯片感光完毕后。每个像素所转换的电荷包，就按照一行的方向转移出CCD感光区域。为下一次感光放空间C 电荷转移通常：电荷转移出感光区域的时间，需要抑 制新的电荷注入到芯片。在此，我们加入快门。机械快门（需要相机的曝光信号，速度慢）整帧电子快门滚动电子快门 shutter speedRolling shutter在同一个像素区域，应该有电荷储存空间和用来转移的空间。这样才能顺利完成转移。CCD中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称引起的。电压高的地方，就会产生相对的势阱，电荷会聚集在势阱里。当高电压的位置按
6、照一定方向转移时，势阱的位置也会随之转移，如此，电荷就会随着移动。把CCD的电极分为几组，相同组的电极施加相同的电压来实现势阱的移动。按照分组情况，可分为：2相，3相和4相CCD。2相CCD势阱与势阱间隔一个电极而4相CCD，其势阱间相隔的电极更多。阻隔相临像素间电荷的溢出能力更强。因而更适用于高速时钟。根据阵列排布方式的不同，根据阵列排布方式的不同，CCD成像器件分成像器件分为线阵列和面阵列两大类。为线阵列和面阵列两大类。线阵线阵CCD的构造相对简单。只是单行的的构造相对简单。只是单行的感光和转移。感光和转移。而面阵芯片复杂一些。下面是一些常见的而面阵芯片复杂一些。下面是一些常见的面阵排列方
7、式。面阵排列方式。Scan&transferFull frame transfer阵列的每一个像素都感光。传输时，每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，串行寄存器向阵列的出口转移Scan&transferFrame transfer 桢转移register阵列的一半像素感光，另一半被遮住。传输时，首先感光部分快速向不感光部分的对应位置转移。之后每一列向单行串行寄存器上相对应的位置转移。同时，感光部分的空间由于没有了电荷可以继续感光对比一下Full frame 和 Frame transfer 两种传输模式。(很好的芯片，科研用）Frame transfer 的优势在于，利用了像素间传
8、输快的特点，从而忽略这一时间，使得，在上一帧电荷转移出芯片的同时可以采集下一帧图像。同时，这种模式，可以不加任何快门工作。但这样做，毕竟还是会在很短的一段时间里，使得传输的电荷还在接收新感光得到的电荷。从而使图像出现一些类似拖尾的光斑，这就是常说的SMEAR现象。要避免这种现象，最好是给SENSOR加上快门。Full frame 由于sensor始终曝光，所以在传输时，快门遮挡是必须的Interline transfer 隔行转移（transfer 电荷转移方式，芯片的固定结构，图中两个是一个像素）隔行传输的好处在于，感光和传输不在同一列，从而避免了两者之间的冲突。但缺点在于，芯片并不是所有面
9、积都在感光。这样，对于定位测量要求比较高的话，会有影响。One pixelInterlaced scan（指的是多对芯片的使用方法）（指的是多对芯片的使用方法）在CCD的设计过程中，还有一些非常有用的技术。基于驱动电路的设计，原则上，CCD芯片可以完成如下功能：对任意相邻行的数据进行合并输出（在不过饱和的前提下）在串行寄存器中，对不感兴趣的数据可以直接清零ACEGBDFHab cdefghVertical BinningghACEGBDFHScan&transferab cdefghefghBinning 2*2 约节约1/2的时间 图为原来1/4但很亮相临4个像素的电荷相临2像素的电荷Bin
10、ning 的作用，在于，把相临几个像素所积累的电荷累加起来。作为一个电荷进行转换。这样做的效果，相当于把几个像素拼成了一个大像素使用。优点，速度快。缺点，分辨率降低。1111222233334444Area Scan 区域扫描要得到第3+4行数据：line1+line2 清零 line3 输出 line4 输出 CCD的区域扫描不能称为真正的ROI(感兴趣区域扫描）由于对于同一行的数据，绝大多数CCD取舍必须同时进行所以区域的大小只能在列方向上截取，行方向不可以同时，即使有些行的数据没有输出，它依然需要被转移到串行寄存器进行清零。多沟道传输多沟道传输上面所述，都是按照，单行，单列的模式进行电荷
11、传输的。其实，如果单行的像素太多，会影响传输速度。这时可以使用多沟道传输。单沟道线型单沟道线型CCD 双沟道线阵双沟道线阵CCD 转移次数多、效率低、调制只适用于像素单元较少的成像器件。转移次数少一半，它的总转移效率大大提高。彩色的形成彩色形成，需要同一点的R/G/B三原色的数值。A AR AG AB 1 利用棱镜，将光线折射成三部分。在R，G，B三束光线的 方向上分别帖上三片感光片，各自感光。2 利用BAYER滤光片，让相临四个像素分别只能接收R，G，G，B光。每个像素输出的信息只是相应色光的灰度值。之 后，通过软件合成为彩色。这样，每个像素的彩色信息其实 是不独立的，依赖于相临像素的信息。
12、颜色变化不大颜色变化很大3.SUPPER CCD，一个蜂窝型的CCD感光片，每个像素被使用 3次，相当于增大了有效像素数量。3 layer CCD RGB3层芯片重叠放置，由于不同能量的光子对芯片物质的穿透率差异，可以通过计算在每一层上感光的电荷数来获知最初入射的原始光子情况线阵芯片的应用工作原理：扫描系统要求：单方向相对运动优点：速度快、成本低缺点：要求高、感光差彩色线阵芯片的结构单行Bayer 三CCD水平排列RGB棱镜3CCD通常，使用线阵CCD都需要提供较强的光源扫描速度越快，图像越暗如果选CCD的性能，大像素尺寸，有更好的感光能力但是，如果提高像素尺寸、增强光照都不能达到要求。比如航
13、拍摄。这时就需要新的思路去解决。TDI 是一种特殊的线阵芯片 T1：A1T2：B1 A1+A2T3：C1 B1+B2 A1+A2+A3 C B ATDI的工作原理：多行扫描，电荷叠加系统要求：电荷在行与行间的传递速度 和 物体在芯片上 投影的移动速度 相同适合：高速生产线扫描A 有效像素多，拍摄的图像精度更高B 帧频高，速度快，拍摄的运动过程更细致C CCD的芯片，图像质量要比CMOS的好一些，但速度慢D 像素尺寸大，能够更多地接收光子，不容易饱和E 对于高精密测量，应尽量使用整个像素面积都感光的芯片,如Full frame 和 Frame transferF 使用多通道传输的芯片，能提高传输速度G 抗光晕技术，能够防止过度曝光对图像的影响H 使用3-CCD技术的彩色CCD芯片，色彩更真实