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以客戶(hù)為中心 以技術(shù)為核心
圖像傳感器是電子元器件熱門(mén)的方向之一，無(wú)論是智能手機(jī)、安防監(jiān)控、汽車(chē)電子還是工業(yè)應(yīng)用，都在大量采用，而且增速驚人。手機(jī)應(yīng)用上已經(jīng)普及了多攝像頭，但是單看傳感器的成本，五攝手機(jī)的圖像傳感器加起來(lái)，未必比一顆普通工業(yè)用傳感器貴，而單顆高速、高分辨率工業(yè)圖像傳感器價(jià)格則要到幾千美元，比主流旗艦手機(jī)整機(jī)還貴。
本期，英萊小編帶您了解工業(yè)視覺(jué)技術(shù)的核心部件——圖像傳感器
定義：
成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱(chēng)為圖像傳感器。圖像傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。
根據(jù)元件的不同，圖像傳感器通?？煞譃閮纱箢?lèi)：
●CCD（電荷耦合器件 Charge-Coupled Device）
●CMOS（互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體元件 Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
無(wú)論是CCD還是CMOS，都是用光電二極管來(lái)感光的，那么二者的區(qū)別究竟在哪里呢？
● CCD傳感器的像素單元，沒(méi)有獨(dú)立的讀出端，光照射每個(gè)像素產(chǎn)生電荷，并累積。由于CCD只有一個(gè)讀出端口，因此需要串行的將每個(gè)像素的電荷在像素之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移到輸出端口。將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換得到圖像。就像是接力，將整列的電荷全部傳輸給讀出端，整列的電荷，全部轉(zhuǎn)換為電壓。
● CMOS的傳輸簡(jiǎn)單，每個(gè)像素都有自己的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)像素，單獨(dú)完成電荷轉(zhuǎn)換成電壓。因此造成了很多獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。
可以這樣理解：CCD的像素信號(hào)，是電子包，而COMS的信號(hào)，是電壓。CCD和CMOS本質(zhì)上講，都是光電二極管感光，主要差別主要在周邊電路上。
技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS的區(qū)別有如下四個(gè)方面的不同：
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，速度比CCD電荷耦合器快很多。
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器部分只需使用一個(gè)電源，耗電量小，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)。
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)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
早期的CCD與COMS成像對(duì)比
功耗、良品率這幾點(diǎn)可以說(shuō)是CCD傳感器的死穴了，功耗高的主要原因是因?yàn)镃CD的放大策略，CMOS是直接像素單獨(dú)放大，而CCD是一列（排）像素統(tǒng)一放大，就是這個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致CCD需要加電壓，讓電荷轉(zhuǎn)移到到輸出端，高驅(qū)動(dòng)電壓的代價(jià)就是功耗感人。
同時(shí)，CMOS的壞點(diǎn)只會(huì)損壞單個(gè)像素，而CCD，則是損壞一個(gè)像素，就犧牲一排像素，原因就是電荷在整列（排）像素上轉(zhuǎn)移，因此良品率和損壞率遠(yuǎn)比CMOS高。
近年來(lái)，隨著背照式CMOS、堆棧式CMOS的出現(xiàn)解決了開(kāi)口率問(wèn)題，ADC內(nèi)置，加強(qiáng)了前端讀出噪聲的控制，還有pinned二極管ppd像素結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，極大抑制了暗電流，諸多新技術(shù)讓CMOS以肉眼可見(jiàn)的速度趕超CCD，甚至出現(xiàn)了超越。
不管是CCD還是CMOS圖像傳感器，主要有“分辨率、靶面尺寸（光學(xué)尺寸）、像素大小、曝光方式、幀率、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍。
分辨率
傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線(xiàn)轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表分辨率越高，著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰。
100W像素?cái)z像機(jī)分辨率是1280X720，兩個(gè)值相乘得出的就是像素值，就是近100萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸
圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來(lái)表示。和電視機(jī)一樣，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，如 常見(jiàn)的有1/3英寸，同一規(guī)格傳感器，靶面越大，意味著信息采集量越大，相應(yīng)的圖像動(dòng)態(tài)范圍越好，成像質(zhì)量越好。
像素大小
靶面尺寸和像素是決定成像質(zhì)量的一對(duì)關(guān)系。只有兩個(gè)同時(shí)看，才能理論上估算出成像質(zhì)量。圖像傳感器中單個(gè)像素的面積越大，它的感光性能就越好，反映到我們用的攝像機(jī)上，就是“高低分明”相對(duì)好一些。
例如，就同樣大小CCD，假設(shè)單位面積上CCD像素是標(biāo)清的720*576標(biāo)準(zhǔn)的話(huà)，那同樣大小面積上的CCD像素要做到HDV標(biāo)準(zhǔn)1440*1080的話(huà)，那后者的單個(gè)像素面積一定是小于前面的。
曝光方式
機(jī)器視覺(jué)行業(yè)，對(duì)于CCD或者CMOS來(lái)說(shuō)，曝光只有兩種，一種是全局曝光（Global shutter），另一種是滾動(dòng)曝光（Rolling shutter）。全局曝光可以理解為整幀圖像同時(shí)曝光，同時(shí)定格；滾動(dòng)曝光是整幅圖像從上到下一行一行的曝光，每行之間都有時(shí)間差。
對(duì)于拍攝運(yùn)動(dòng)物體尤其是快速運(yùn)動(dòng)物體，除了曝光時(shí)間要盡量低之外，還要盡量用全局曝光相機(jī)，曝光時(shí)間低是為了避免運(yùn)動(dòng)模糊，選擇全局曝光是為了避免變形。根據(jù)上面描述的原理，拍攝運(yùn)動(dòng)物體，如果用滾動(dòng)曝光，每一行定格的時(shí)間都是不同的，所以物體會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似平行四邊形的扭曲變形。
幀率
既指單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量。連續(xù)播放一系列圖片就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果，根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時(shí)候， 人眼就基本看不出來(lái)圖片的跳躍；在達(dá)到24幅/s～30幅/s（即24幀到30幀）之間時(shí)就已經(jīng)基本覺(jué)察不到閃爍現(xiàn)象了。
每秒的幀數(shù)(fps)或者說(shuō)幀率表示圖形傳感器在處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺(jué)體驗(yàn)。
是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值對(duì)數(shù)，信噪比的單位用dB來(lái)表示，信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB，則圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說(shuō)明對(duì)噪聲的控制越好。這個(gè)參數(shù)關(guān)系到圖像中噪點(diǎn)的數(shù)量，信噪比越高，給人感覺(jué)畫(huà)面越干凈，夜視的畫(huà)面中點(diǎn)狀的噪點(diǎn)就越少。
動(dòng)態(tài)范圍
它是指感光材料所能同時(shí)記錄的暗到亮的亮度級(jí)別的范圍。處于這個(gè)范圍之外的亮度，感光材料已經(jīng)無(wú)法記錄下其影像，因此將其表現(xiàn)為死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。動(dòng)態(tài)范圍可以直接用光比來(lái)表示，但更方便的是用光圈的檔數(shù)差來(lái)表示。
在現(xiàn)實(shí)中，一幅圖像會(huì)同時(shí)具有亮和暗的區(qū)域，它們之間的差距可能是很大的，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所采集的圖像應(yīng)盡可能地反映出這種灰度的變化范圍。此外，在現(xiàn)實(shí)中圖像灰度的微小變化，可能就是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要區(qū)別的目標(biāo)和背景的界限，所以機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也應(yīng)盡可能地將圖像中灰度的細(xì)微變化反映出來(lái)。
—— END ——
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圖像傳感器是電子元器件熱門(mén)的方向之一，無(wú)論是智能手機(jī)、安防監(jiān)控、汽車(chē)電子還是工業(yè)應(yīng)用，都在大量采用，而且增速驚人。手機(jī)應(yīng)用上已經(jīng)普及了多攝像頭，但是單看傳感器的成本，五攝手機(jī)的圖像傳感器加起來(lái)，未必比一顆普通工業(yè)用傳感器貴，而單顆高速、高分辨率工業(yè)圖像傳感器價(jià)格則要到幾千美元，比主流旗艦手機(jī)整機(jī)還貴。
本期，英萊小編帶您了解工業(yè)視覺(jué)技術(shù)的核心部件——圖像傳感器
定義：
成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱(chēng)為圖像傳感器。圖像傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分。
根據(jù)元件的不同，圖像傳感器通?？煞譃閮纱箢?lèi)：
●CCD（電荷耦合器件 Charge-Coupled Device）
●CMOS（互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體元件 Complementary Metal-Oxide Semiconductor）
無(wú)論是CCD還是CMOS，都是用光電二極管來(lái)感光的，那么二者的區(qū)別究竟在哪里呢？
● CCD傳感器的像素單元，沒(méi)有獨(dú)立的讀出端，光照射每個(gè)像素產(chǎn)生電荷，并累積。由于CCD只有一個(gè)讀出端口，因此需要串行的將每個(gè)像素的電荷在像素之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移到輸出端口。將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)行放大和AD轉(zhuǎn)換得到圖像。就像是接力，將整列的電荷全部傳輸給讀出端，整列的電荷，全部轉(zhuǎn)換為電壓。
● CMOS的傳輸簡(jiǎn)單，每個(gè)像素都有自己的電荷電壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)像素，單獨(dú)完成電荷轉(zhuǎn)換成電壓。因此造成了很多獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。
可以這樣理解：CCD的像素信號(hào)，是電子包，而COMS的信號(hào)，是電壓。CCD和CMOS本質(zhì)上講，都是光電二極管感光，主要差別主要在周邊電路上。
技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS的區(qū)別有如下四個(gè)方面的不同：
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，速度比CCD電荷耦合器快很多。
CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS光電傳感器部分只需使用一個(gè)電源，耗電量小，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)。
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)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。
早期的CCD與COMS成像對(duì)比
功耗、良品率這幾點(diǎn)可以說(shuō)是CCD傳感器的死穴了，功耗高的主要原因是因?yàn)镃CD的放大策略，CMOS是直接像素單獨(dú)放大，而CCD是一列（排）像素統(tǒng)一放大，就是這個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致CCD需要加電壓，讓電荷轉(zhuǎn)移到到輸出端，高驅(qū)動(dòng)電壓的代價(jià)就是功耗感人。
同時(shí)，CMOS的壞點(diǎn)只會(huì)損壞單個(gè)像素，而CCD，則是損壞一個(gè)像素，就犧牲一排像素，原因就是電荷在整列（排）像素上轉(zhuǎn)移，因此良品率和損壞率遠(yuǎn)比CMOS高。
近年來(lái)，隨著背照式CMOS、堆棧式CMOS的出現(xiàn)解決了開(kāi)口率問(wèn)題，ADC內(nèi)置，加強(qiáng)了前端讀出噪聲的控制，還有pinned二極管ppd像素結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，極大抑制了暗電流，諸多新技術(shù)讓CMOS以肉眼可見(jiàn)的速度趕超CCD，甚至出現(xiàn)了超越。
不管是CCD還是CMOS圖像傳感器，主要有“分辨率、靶面尺寸（光學(xué)尺寸）、像素大小、曝光方式、幀率、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍。
分辨率
傳感器上有許多感光單元，它們可以將光線(xiàn)轉(zhuǎn)換成電荷，從而形成對(duì)應(yīng)于景物的電子圖像。而在傳感器中，每一個(gè)感光單元對(duì)應(yīng)一個(gè)像素(Pixels)，像素越多，代表分辨率越高，著它能夠感測(cè)到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰。
100W像素?cái)z像機(jī)分辨率是1280X720，兩個(gè)值相乘得出的就是像素值，就是近100萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)，130W的分辨率是1280X960,像素值就是近130萬(wàn)個(gè)像素點(diǎn)。從圖像效果上看，130W的效果比100W的要好一些。
靶面尺寸
圖像傳感器感光部分的大小，一般用英寸來(lái)表示。和電視機(jī)一樣，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，如 常見(jiàn)的有1/3英寸，同一規(guī)格傳感器，靶面越大，意味著信息采集量越大，相應(yīng)的圖像動(dòng)態(tài)范圍越好，成像質(zhì)量越好。
像素大小
靶面尺寸和像素是決定成像質(zhì)量的一對(duì)關(guān)系。只有兩個(gè)同時(shí)看，才能理論上估算出成像質(zhì)量。圖像傳感器中單個(gè)像素的面積越大，它的感光性能就越好，反映到我們用的攝像機(jī)上，就是“高低分明”相對(duì)好一些。
例如，就同樣大小CCD，假設(shè)單位面積上CCD像素是標(biāo)清的720*576標(biāo)準(zhǔn)的話(huà)，那同樣大小面積上的CCD像素要做到HDV標(biāo)準(zhǔn)1440*1080的話(huà)，那后者的單個(gè)像素面積一定是小于前面的。
曝光方式
機(jī)器視覺(jué)行業(yè)，對(duì)于CCD或者CMOS來(lái)說(shuō)，曝光只有兩種，一種是全局曝光（Global shutter），另一種是滾動(dòng)曝光（Rolling shutter）。全局曝光可以理解為整幀圖像同時(shí)曝光，同時(shí)定格；滾動(dòng)曝光是整幅圖像從上到下一行一行的曝光，每行之間都有時(shí)間差。
對(duì)于拍攝運(yùn)動(dòng)物體尤其是快速運(yùn)動(dòng)物體，除了曝光時(shí)間要盡量低之外，還要盡量用全局曝光相機(jī)，曝光時(shí)間低是為了避免運(yùn)動(dòng)模糊，選擇全局曝光是為了避免變形。根據(jù)上面描述的原理，拍攝運(yùn)動(dòng)物體，如果用滾動(dòng)曝光，每一行定格的時(shí)間都是不同的，所以物體會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似平行四邊形的扭曲變形。
幀率
既指單位時(shí)間所記錄或者播放的圖片的數(shù)量。連續(xù)播放一系列圖片就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果，根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)，當(dāng)圖片的播放速度大于15幅/秒（即15幀）的時(shí)候， 人眼就基本看不出來(lái)圖片的跳躍；在達(dá)到24幅/s～30幅/s（即24幀到30幀）之間時(shí)就已經(jīng)基本覺(jué)察不到閃爍現(xiàn)象了。
每秒的幀數(shù)(fps)或者說(shuō)幀率表示圖形傳感器在處理場(chǎng)時(shí)每秒鐘能夠更新的次數(shù)。高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺(jué)體驗(yàn)。
是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值對(duì)數(shù)，信噪比的單位用dB來(lái)表示，信噪比的典型值為45～55dB，若為50dB，則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良好；若為60dB，則圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良，不出現(xiàn)噪聲，信噪比越大說(shuō)明對(duì)噪聲的控制越好。這個(gè)參數(shù)關(guān)系到圖像中噪點(diǎn)的數(shù)量，信噪比越高，給人感覺(jué)畫(huà)面越干凈，夜視的畫(huà)面中點(diǎn)狀的噪點(diǎn)就越少。
動(dòng)態(tài)范圍
它是指感光材料所能同時(shí)記錄的暗到亮的亮度級(jí)別的范圍。處于這個(gè)范圍之外的亮度，感光材料已經(jīng)無(wú)法記錄下其影像，因此將其表現(xiàn)為死黑（如果更暗）或死白（如果更亮）。動(dòng)態(tài)范圍可以直接用光比來(lái)表示，但更方便的是用光圈的檔數(shù)差來(lái)表示。
在現(xiàn)實(shí)中，一幅圖像會(huì)同時(shí)具有亮和暗的區(qū)域，它們之間的差距可能是很大的，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所采集的圖像應(yīng)盡可能地反映出這種灰度的變化范圍。此外，在現(xiàn)實(shí)中圖像灰度的微小變化，可能就是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要區(qū)別的目標(biāo)和背景的界限，所以機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也應(yīng)盡可能地將圖像中灰度的細(xì)微變化反映出來(lái)。
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