2 - 嵌入式視覺系統(tǒng)的概念及關(guān)鍵因素

確定成像器格式以及所需分辨率之后，我們還必須考慮像素間距。像素間距定義像素的大小，決定能收集多少入射光子產(chǎn)生的電荷。因此，較小的像素間距意味著在積分周期內(nèi)（傳感器暴露在圖像中的時間）收集較少的電荷。如果像素間距較小，意味著捕捉圖像需要更長的積分時間，這會影響傳感器捕捉快速移動圖像的能力，并降低低光拍照性能。

確定傳感器格式后，我們必須考慮使用哪種技術(shù)，CCD、CMOS 還是更為專業(yè)的技術(shù)。這里的重要參數(shù)是量子效率 (QE)；該參數(shù)是器件通過光子產(chǎn)生電子的效率。通常，我們希望在有用光譜上實(shí)現(xiàn)盡可能高的 QE，這對于低光應(yīng)用也具有重要意義。影響器件 QE 的因素有三個：吸收、反射和透射。QE 降低的一個主因是器件結(jié)構(gòu)。器件結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致像素被傳感器中的電路屏蔽，例如金屬線或多晶硅柵極電路等。這些結(jié)構(gòu)會吸收或反射光子，從而降低 QE，因此要選好傳感器。

●　前照式 — 對于這類器件，光子以上面的介紹的傳統(tǒng)方式照射器件的前面，像素可能被遮蔽，QE 相應(yīng)降低。

●　背照式 — 這些器件經(jīng)過后期處理，將器件的后部削薄，以便在后面接收光照，從而不受其他設(shè)計元件的阻擋。薄型背照式器件能實(shí)現(xiàn)最佳 QE。

我們還必須考慮圖像傳感器中所允許的噪聲；有三個主要方面需要考慮。

●　器件噪聲 — 這在本質(zhì)上講是暫時的，包括散射噪聲以及輸出放大器和復(fù)位電路產(chǎn)生的噪聲。

●　固定圖形噪聲(FPN) — 呈空間分布，由相同光照強(qiáng)度下像素的不同響應(yīng)引起。FPN 通常由每個像素的不同偏移和增益響應(yīng)引起；偏移部分通常稱為暗信號響應(yīng)非均勻性 (DSNU)，增益部分稱為圖像響應(yīng)非均勻性 (PRNU)。有多種方法可以補(bǔ)償 FPN，最常見的方法是輸出信號的相關(guān)雙采樣法。

●　暗電流 — 這由圖像傳感器中的熱噪聲引起，甚至在無光照情況下也會出現(xiàn)。暗信號對最終圖像質(zhì)量的影響取決于幀速率；較高幀速率下影響不大，然而，隨著幀速率降低（如科研應(yīng)用）影響會很明顯。由于暗電流與溫度有關(guān)，因此在需要降低暗電流的情況下，通常做法是利用冷卻器件（例如 Peltier)來降低成像器件的工作溫度。

理解了成像器的噪聲模式后，我們就能確定能實(shí)現(xiàn)多大的信噪比 (SNR)。

確定器件的噪聲性能后，就可以確定圖像傳感器所需的動態(tài)范圍。動態(tài)范圍代表傳感器捕獲光照強(qiáng)度范圍較大的圖像的能力，單位是 dB 或以比率形式給出。這意味著圖像同時包含高照度區(qū)和暗區(qū)。

傳感器的實(shí)際動態(tài)范圍由像素的滿井容量決定，也就是像素飽和前所能承載的電子數(shù)量。將容量除以讀出噪聲，能方便地將比率轉(zhuǎn)換為以 dB 為單位的值。

通常利用光子轉(zhuǎn)換曲線測試法來確定動態(tài)范圍，畫出噪聲與容量的關(guān)系曲線。

如果器件具有數(shù)字輸出，可通過下面的公式利用輸出端比特數(shù)計算該值。

然而，這并不能確保器件可以實(shí)現(xiàn)這樣的動態(tài)范圍；只是說明總線寬度所能代表的潛在范圍，而沒有考慮傳感器性能因素。

IO 標(biāo)準(zhǔn)也很重要，不僅用來輸出像素數(shù)據(jù)，還用來輸出命令和控制接口。這與幀速率有關(guān)，例如 LVCMOS 接口不適合高幀速率應(yīng)用，但可用于簡單的監(jiān)控攝像頭。隨著幀速率、分辨率和每像素比特數(shù)的增加，成像器件的趨勢正朝著采用 LVDS 系列或 SERDES 技術(shù)的專用高速串行鏈路發(fā)展。

現(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了圖像傳感器的多個重要方面，另一個尚未考慮的因素是成像器是彩色還是單色傳感器。無論選擇哪種，都取決于應(yīng)用場合。

●　彩色傳感器 — 需要在每個像素上使用貝爾圖形，在一條線上交替變換紅色和綠色，下一條線上交替藍(lán)色和綠色（綠色用得多是因?yàn)槿搜蹖G顏色波長更敏感)。這意味著要對接收到的光子進(jìn)行濾波處理，使每個像素只接收具有所需波長的光子。我們可對圖像進(jìn)行后處理，用不同顏色圍繞像素以重構(gòu)每個像素上的顏色，從而確定像素顏色，而且不會降低圖像分辨率。彩色傳感器會使重構(gòu)和輸出圖像所需的圖像處理鏈變得復(fù)雜化。貝爾圖形確實(shí)會導(dǎo)致分辨率降低，但是沒有想象的那么差，通常降幅為 20%。

●　單色 — 由于圖像陣列上沒有貝爾圖形，因此每個像素能接收所有光子。這樣可增大圖像靈敏度，使圖像的讀出更簡單，因?yàn)椴淮嬖陬伾亟ㄋ璧娜ヱR賽克效應(yīng)。

經(jīng)選擇我們決定使用 CIS 器件，而實(shí)際上這些屬于復(fù)雜的專用片上系統(tǒng)。因此，我們還必須考慮以下關(guān)于讀出模式和積分時間的問題。