工業(yè)相機原理主編：李紹麗，李德健，田野第3章工業(yè)相機的核心—圖像傳感器3.1.CCD圖像傳感器3.2.CMOS傳感器3.3.彩色工業(yè)相機工業(yè)相機原理第3章工業(yè)相機的核心—圖像傳感器3.1.CCD圖像傳感器3.1.1基本原理和工作過程3.1.2線陣CCD圖像傳感器與面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理工業(yè)相機的作用是將通過鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像。工業(yè)相機中最重要的組成部件是數(shù)字圖像傳感器。兩種主要的傳感器技術(shù)：CCD（charge-coupleddevice，電耦合器件）和CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor,互補型金屬氧化物半導體）。兩者的主要區(qū)別是從芯片中讀出數(shù)據(jù)的方式（即，讀出結(jié)構(gòu)）不同。第3章工業(yè)相機的核心——圖像傳感器工業(yè)相機原理CCD的工作原理——光信號是如何通過CCD轉(zhuǎn)換為電信號，進而形成一幅圖像的？第3章工業(yè)相機的核心——圖像傳感器工業(yè)相機原理從圖3.1-1所示的線陣相機這種最簡單的情況來描述CCD傳感器的結(jié)構(gòu)。CCD傳感器由一行光線敏感的光電探測器組成，光電探測器一般為光柵晶體管或光電二極管。我們的討論不涉及光電探測器所包含的物理問題。對于我們的學習而言，僅把光電探測器看作能將光子轉(zhuǎn)為電子并將電子轉(zhuǎn)為電流的設(shè)備就足夠了。每種光電探測器都有最多可以存儲電子數(shù)量的限制，常取決于光電探測器的大小。當光電探測器暴露在光線下時（曝光），光電探測器累積電荷，通過轉(zhuǎn)移門（transfergates）電路，電荷被移至順序排列的(serial）讀出寄存器中(readoutregisters)從而讀出。注意：每個光電探測器對應(yīng)一個讀出寄存器，這些讀出寄存器是順序地、串行地排列在一起的。3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程問題：每個光電探測器對應(yīng)幾個傳輸門？一個嗎？答：是的。工業(yè)相機原理串行讀出寄存器（theserial

readoutregisters）也是光敏的，必須由金屬護罩遮擋以避免讀出期間被其接收到其他光子。讀出的過程是：將電荷轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換單元將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并將電壓放大。3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理圖3.1-1線陣CCD傳感器。光在光電探測器中轉(zhuǎn)換為電荷,轉(zhuǎn)移至串行讀出寄存器并通過電荷轉(zhuǎn)換器和放大器讀出。對于線性傳感器光電探測器常為光電二極管轉(zhuǎn)移門電路及串行讀出電路是電子耦合設(shè)備（charge-coupleddevices,CCD）?！炯崔D(zhuǎn)移門電路和串行讀出電路中電子的轉(zhuǎn)移的方式是“電子耦合”式的，是通過“電子耦合器件/設(shè)備”來完成的】每一個CCD最多由4個門組成，這些門在給定方向上傳輸電荷。注：

此處的“門”與圖3.1-1中的“傳輸門”的“門”不是一個意思，也不是一個物理結(jié)構(gòu)。

CCD的門是指：CCD的電極結(jié)構(gòu)有兩相、三相和四相，最多是四相，即經(jīng)過4步轉(zhuǎn)移一個電荷包，稱作4個“門”。圖3.1-1中傳輸門的“門”是更宏觀的開關(guān)電路的意思，或可理解為因為該傳輸門是由CCD構(gòu)成，而CCD由2-4個“門”構(gòu)成，所以該傳輸電路就泛泛的稱作是傳輸“門”電路了。3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理問題：CCD和門的關(guān)系？和讀出寄存器的關(guān)系？解答：傳輸門是電荷耦合的，讀出寄存器也是電荷耦合的。知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理圖3.1-1線陣CCD傳感器。光在光電探測器中轉(zhuǎn)換為電荷,轉(zhuǎn)移至串行讀出寄存器并通過電荷轉(zhuǎn)換器和放大器讀出。對于線性傳感器光電探測器常為光電二極管電荷轉(zhuǎn)換為電壓并放大后，就可以轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字視頻信號。對于數(shù)字視頻信號，是由模擬電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，analog-to-digitalconverter）轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓的。問題1：電荷轉(zhuǎn)換單元是將每個讀出寄存器的電荷單獨轉(zhuǎn)換為一個電壓值嗎？還是將一串讀出寄存器中的電荷才轉(zhuǎn)換為一個電壓值？答：一個光電二極管對應(yīng)一個電壓值。一個光電二極管對應(yīng)一個像元.知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理電荷轉(zhuǎn)換為電壓并放大后，就可以轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字視頻信號。對于數(shù)字視頻信號，是由模擬電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，analog-to-digitalconverter）轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓的。問題2：（1）什么是“視頻”信號？（2）如何從電壓轉(zhuǎn)換為視頻信號？（3）是誰將電壓轉(zhuǎn)換為視頻信號的？答：（1）“視頻”信號就是連續(xù)的一幀幀圖像信號。（2）如何從電壓轉(zhuǎn)換為圖像信號？主要需要兩個步驟：a按照某個規(guī)則將電壓值排列起來，b不同電壓值代表不同的灰度。如右圖，可約定規(guī)則為8行構(gòu)成一幅圖像；電壓值大于1v為藍色，否則為黃色。（3）可以是連接CCD的外部電路將電壓轉(zhuǎn)換為視頻信號的；或者這個信號可直接傳到計算機上再按上述規(guī)則轉(zhuǎn)換為圖像即可。則，即這一系列的電壓在上述規(guī)則下即稱成為圖像/視頻信號。知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理由于大多數(shù)在可見光區(qū)域工作的傳感器使用一個CCD架構(gòu)來移動一個電荷包，因此它們（圖像傳感器）通常被稱為CCD陣列。知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理什么是CCD：CCD是chargecoupleddevices,即電荷耦合（耦合=轉(zhuǎn)移）設(shè)備，突出特點是以電荷（而不是電流或電壓）為信號載體。

可以說CCD是一種特殊的結(jié)構(gòu)，是由（1）光電二極管、（2）多個MOS（金屬-氧化物-半導體）的某種組合結(jié)構(gòu)（最多4個mos）（即傳輸門）和（3）讀出寄存器（也是多個MOS組合在一起的一串）和（4）一些配套的外接電路（為傳輸門和讀出寄存器供電，供電了它倆才能轉(zhuǎn)移電荷）搭建成的結(jié)構(gòu)（或稱為設(shè)備）。知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理可以理解為1個光電二極管對應(yīng)1個傳輸門，1個傳輸門對應(yīng)1個讀出寄存器。1個傳輸門最多由4個MOS組成，1個讀出寄存器也是最多由4個MOS組成?？梢詫鬏旈T和讀出寄存器的結(jié)構(gòu)理解為是一模一樣的，只不過在圖2.38中傳輸門豎直方向轉(zhuǎn)移電荷，而讀出寄存器水平方向轉(zhuǎn)移電荷（如圖3-4所示）。電荷的轉(zhuǎn)移是由外接配套電路控制的。所以n個光電二極管對應(yīng)的一串讀出寄存器的數(shù)量也是n個（也可以把這n個讀出寄存器理解為1個大的讀出寄存器）。最終通過配套電路獲得n個電壓值，即每個光電二極管對應(yīng)一個電壓值。知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理上圖整個紅色框部分稱作一個CCDsensor。該sensor的輸入是光，輸出是電壓。但并不是說圖3.1-1中某個小部件是CCD，所以整個圖3.1-1才叫CCD傳感器的，而是圖2.38中傳輸門和讀出寄存器是通過電荷耦合的，即轉(zhuǎn)移電荷的（而不是轉(zhuǎn)移電流或電壓的）。所以常稱基于此轉(zhuǎn)移電荷的機理的圖3.1-1的整體叫做CCD，即電荷耦合設(shè)備。知識點整理3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.1CCD傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作過程工業(yè)相機原理圖3.1-1線陣CCD傳感器3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.2電子耦合設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移方法電子耦合設(shè)備（charge-coupleddevices,CCD）轉(zhuǎn)移電荷的方式或具體工作過程：了解CCD寄存器由一系列門（MOSgate）組成。以系統(tǒng)和順序的方式操縱柵極電壓，以傳送帶式的方式將電子從一個柵極轉(zhuǎn)移到下一個柵極。對于電荷轉(zhuǎn)移，耗盡區(qū)必須重疊。耗盡區(qū)實際上是梯度，梯度必須重疊才能發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。柵極重疊時發(fā)生有效重疊(圖3.1-3)。多層多晶硅結(jié)構(gòu)使相鄰電極之間的間隙最小化。如果沒有這種結(jié)構(gòu)，電荷轉(zhuǎn)移就會很差。為清楚起見，在整個文本的其余部分，結(jié)構(gòu)將被說明為相鄰的，不重疊的門。工業(yè)相機原理圖3.1-2用于p型硅的金屬氧化物半導體(MOS)柵。圖3.1-3三相CCD。柵極（門）必須重疊以便于有效的電荷轉(zhuǎn)移

電子耦合設(shè)備（charge-coupleddevices,CCD）轉(zhuǎn)移電荷的方式或具體工作過程：了解每個柵極都有自己的控制電壓，該電壓隨時間的變化而變化。電壓稱為時鐘或時鐘信號。當柵極電壓較低時，柵極充當勢壘;當柵極電壓較高時，柵極可存儲電荷。最初，在柵極1上施加電壓，光電子在井1中收集(圖b)。當對柵極2施加電壓時，電子以瀑布的方式移動到井2(圖c)。這個過程非常迅速，電荷在兩個井中迅速平衡(圖d)。當柵極1上的電壓降低時，井電位降低，電子再次以瀑布的方式流入井2(圖e)。最后，當柵極1電壓達到零時，所有的電子都在井2中(圖f)。這個過程重復許多次，直到電荷通過移位寄存器轉(zhuǎn)移。圖3.1-4.兩個井之間的電荷轉(zhuǎn)移。(a)相鄰井。(b)井內(nèi)充電。(c)對柵極2施加電壓后，電子流入井2。(d)電荷平衡。(e)柵極1電壓的降低使井1中的電子轉(zhuǎn)移到井2中。(f)所有電子都轉(zhuǎn)移到阱2。3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.2電子耦合設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移方法工業(yè)相機原理了解3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.2電子耦合設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移方法工業(yè)相機原理圖3.1-6三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過程了解3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.2電子耦合設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移方法工業(yè)相機原理圖3.1-7四相CCD電荷轉(zhuǎn)移的平衡狀態(tài)圖3.1-8四相系統(tǒng)的電壓波形CCD陣列由一系列列寄存器組成，如圖3.1-5所示。電荷通過通道或保持在行或列內(nèi)，耗盡區(qū)僅在一個方向上重疊。在每一列的末尾是一個像素的水平寄存器。這個寄存器每次收集一條線，然后以串行方式將電荷包傳輸?shù)捷敵龇糯笃鳌Ｔ谙乱恍羞M入串行寄存器之前，必須將整個水平串行寄存器發(fā)送到感測節(jié)點。因此，所有CCD陣列都需要單獨的垂直和水平時鐘。這個過程創(chuàng)建一個表示二維圖像的串行數(shù)據(jù)流。了解3.1.1基本原理和工作過程—3.1.1.2電子耦合設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移方法工業(yè)相機原理圖3.1-5具有代表性的3×3陣列的CCD電荷轉(zhuǎn)移過程，每個像素有三個門線陣傳感器（linesensors）線陣傳感器只能生成高度為1行的圖像，在實際中用途有限，因此常通過多行組成二維圖像。線陣傳感器為得到有效圖像，須作相對于被測物體的運動。一種方法是將傳感器安置在運動的被測物（如傳送帶）上方。第二種辦法是被測物不動而傳感器相對被測物運動，如印刷電路板成像。平板掃描儀的原理也是同樣的。平板掃描儀是由一個傳感器和一個集成光源組成的。【同“多元光機掃描方式”】3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.1線陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理線陣傳感器（linesensors）使用線陣傳感器采集圖像時傳感器本身必須與被測物平面平行并與運動方向垂直以保障得到矩形像素。同時根據(jù)線陣傳感器的分辨率，線采集頻率必須與攝像機、被測物間相對運動速度匹配以得到方形像素。假定運動速度是恒定的，這樣就可以保證所有像素采集到的圖像具有一致性。如果運動速度是變化的，就需要編碼器來觸發(fā)傳感器采集每行圖像。相對運動可以由步進電機驅(qū)動來產(chǎn)生。由于很難做到使傳感器非常好地與運動方向匹配，在有些應(yīng)用中必須利用攝像機標定方法來確保測量精度。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.1線陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理線陣傳感器的線讀出速度在14-140kHz之間，顯然會限制每行的曝光時間，因此線掃描應(yīng)用要求非常強的照明。同時鏡頭的光圈通常要在較小f數(shù)，從而嚴重地限制了景深。所以線掃描應(yīng)用系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)定是很有挑戰(zhàn)性的。解讀：1.周期T的單位為秒。Hz的定義就是每秒內(nèi)發(fā)生的周期數(shù),即頻率f。2.f=1/T3.“線陣傳感器的線讀出速度在14-140kHz之間”意味著f=14-140kHz,即一秒內(nèi)可以發(fā)生（即，讀出）14k-140k次（14*103-140*103）4.就算一秒內(nèi)讀出最慢的14k次，則讀出一次所需的時間t=1/14k=0.00007143s.[非常非常快]3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.1線陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理線陣傳感器的線讀出速度在14-140kHz之間，顯然會限制每行的曝光時間，因此線掃描應(yīng)用要求非常強的照明。同時鏡頭的光圈通常要在較小f數(shù)，從而嚴重地限制了景深。所以線掃描應(yīng)用系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)定是很有挑戰(zhàn)性的。解讀：5.因為線讀出的速度非?？欤?lt;0.00007143s）,同時還需要如此短的時間內(nèi)提供給光電二極管足夠的亮度才能轉(zhuǎn)換為足夠的電荷（后續(xù)獲得的圖像才能足夠亮），所以“線掃描應(yīng)用要求非常強的照明”。6.光圈數(shù)越小，光圈開口越大，進光量越多；但光圈開口越大，鏡頭景深越小。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.1線陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理線陣傳感器的線讀出速度在14-140kHz之間，顯然會限制每行的曝光時間，因此線掃描應(yīng)用要求非常強的照明。同時鏡頭的光圈通常要在較小f數(shù)，從而嚴重地限制了景深。所以線掃描應(yīng)用系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)定是很有挑戰(zhàn)性的。可能的疑問：線陣傳感器的線讀出速度與什么有關(guān)？A.取決于CCD電荷轉(zhuǎn)移方式的自身屬性？B.線陣傳感器的線讀出速度與serialrgeister串行寄存器的長度有關(guān)嗎？思考題！3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.1線陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理面陣傳感器(areasensors)根據(jù)電荷轉(zhuǎn)移方式的不同，可分為三類：（1）全幀傳感器（fullframesensor）（2）幀轉(zhuǎn)移傳感器（frametransfersensor）（3）隔列轉(zhuǎn)移型傳感器（interlinetransfersensor）3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理面陣傳感器(areasensors)-（1）全幀傳感器（fullframesensor）圖3.1-9表示了線陣傳感器擴展為全幀型面陣傳感器（fullframesensor）的基本原理。這里光在光電探測器中轉(zhuǎn)換為電荷，電荷按行的順序轉(zhuǎn)移到串行讀出電路寄存器，然后與線陣傳感器的方式一樣轉(zhuǎn)換為視頻信號。圖中1個小方塊代表一個光電二極管+一個MOS組解讀：從CCD傳出的每個光電探測器的電信號，一但通過電荷轉(zhuǎn)換及放大傳出后，馬上就轉(zhuǎn)換為視頻信號，中間沒有存儲的過程。也即CCD輸出一個電荷包信號，就馬上將該信號按某個視頻信號的標準進行排列去用來生成視頻信號。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理圖3.1-9全幀型CCD傳感器在讀出過程中，光電傳感器還在曝光，仍有電荷在積累。由于上面的像素要經(jīng)過下面的像素移位移出，因此像素累計的全部場景信息就會發(fā)生拖影現(xiàn)象。為了避免出現(xiàn)拖影，必須加上機械快門或利用閃光燈，這是全幀型面陣傳感器（fullframesensor）的最大缺點。機械快門就是鏡頭前阻擋光線進來，并控制光線進入時間的裝置。一般而言，快門的時間范圍越大越好。秒數(shù)低適合拍運動中的物體，某款相機就強調(diào)快門最快能到1/16000秒，可輕松抓住急速移動的目標。不過當你要拍的是夜晚的車水馬龍，快門時間就要拉長，常見照片中絲絹般的水流效果也要用慢速快門才能拍出來。閃光燈：使得“讀出”時光電傳感器不暴露在光中。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理機械快門:用機械彈簧或是電子、電磁手段，控制幾片葉片的開閉，或是兩層簾幕像舞臺"拉幕"一樣左右或上下以一定寬度的縫隙"劃過"成像像場窗口，讓窗口獲得指定時間長短的"見光機會"--這就是通常的"機械快門"概念，也就是說，像傳統(tǒng)相機一樣，圖像曝光是通過一個物理存在的"大門"的"限時啟閉"完成的。閃光燈：使得“讀出”時光電傳感器不暴露在光中。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理其最大的優(yōu)點是填充因子（fullfactor）可達100%。填充因子是像素的光敏感區(qū)域的面積(所有像素的總面積)與整個CCD的面積之比.（therationofthelight-sensitiveareaofapixeltoitstotalarea）像素100%的填充因子使得像素對光的敏感程度最大化，并使圖像失真（aliasing:混疊、失真、走樣）最小化。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理面陣傳感器(areasensors)-幀轉(zhuǎn)移傳感器（frametransfersensor）為了解決全幀型傳感器的拖影問題，全幀型傳感器加上另外的傳感器用于存儲，在這個傳感器上覆蓋有金屬光屏蔽層，構(gòu)成幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器，見圖3.1-10。對于這種類型的傳感器，圖像產(chǎn)生于光敏傳感器，然后轉(zhuǎn)移至有光屏蔽的存儲陣列，在空閑時從存儲陣列中讀出。由于兩個傳感器間轉(zhuǎn)移速度很快，通常小于500us，因此拖影可以大大減少。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理圖3.1-10幀轉(zhuǎn)移型CCD傳感器幀轉(zhuǎn)移型傳感器（frametransfersensor）的最大優(yōu)點是其填充因子也可達100%，而且不需要機械快門或閃光燈。然而在兩個傳感器間傳輸數(shù)據(jù)的短暫時間內(nèi)圖像還是在曝光，因而還是有殘留的拖影存在的。幀轉(zhuǎn)移型傳感器的缺點是其通常由兩個傳感器組成因此成本高。由于高靈敏度（因為填充因子為100%）和拖影等特征，全幀傳感器和幀轉(zhuǎn)移傳感器通常用于像天文等曝光時間比讀出時間長的科學研究等應(yīng)用領(lǐng)域。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理工業(yè)相機原理利用“拖影”拍攝的天文圖像效果！面陣傳感器(areasensors)-隔列轉(zhuǎn)移型傳感器（interlinetransfersensor）最后一種CCD傳感器是如圖3.1-11所示的隔列轉(zhuǎn)移型傳感器。除光電探測器外（通常情況下為光電二極管），這種傳感器還有一個帶有不透明的金屬屏蔽層的垂直轉(zhuǎn)移寄存器(verticaltransferregisters)。圖像曝光后，累積到的電荷通過傳輸門電路（圖3.1-11中沒有顯示）轉(zhuǎn)移到垂直傳輸寄存器。這一過程通常在小于1us內(nèi)完成。電荷通過垂直轉(zhuǎn)移寄存器移至串行讀出寄存器，然后讀出形成視頻信號。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理圖3.1-11隔列轉(zhuǎn)移型CCD傳感器。面陣傳感器(areasensors)-隔列轉(zhuǎn)移型傳感器（interlinetransfersensor）由于從光電二極管傳輸至屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器的速度很快，因此圖像沒有拖影，所以不需要機械快門和閃光燈。隔列轉(zhuǎn)移型傳感器的最大缺點是由于其傳輸寄存器需要在傳感器上占用空間，所以其填充因子可能低至20%。圖像失真會增加。（為什么增加？請分析）為了增大填充因子，常利用在傳感器上加上微鏡頭來使光聚焦至光敏光電二極管，見圖3.1-12。然而即使這樣也不可能使其填充因子達到100%。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.2面陣CCD圖像傳感器工業(yè)相機原理圖3.1-12隔列轉(zhuǎn)移型傳感器常利用微鏡來增大填充因子傳感器的溢流溝道CCD傳感器的一個問題是其高光溢出效應(yīng)。也就是當積累的電荷超過光電探測器的容量時，電荷將會溢出到相鄰的光電探測器中，因此圖像中亮的區(qū)域就被顯著放大了。為了防止這個問題，可在傳感器上增加溢流溝道。加在溝道的電勢差使得光電探測器中多余的電荷通過溝道流向襯底。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.3傳感器的溢流溝道工業(yè)相機原理傳感器的溢流溝道溢流溝道可位于傳感器平面中每個像素的側(cè)邊（側(cè)溢流溝道），也可埋于設(shè)備的底部（垂直溢流溝道）。側(cè)溢流溝道常位于垂直傳輸寄存器的相反一側(cè)。圖3.1-11中垂直溢流溝道一定在垂直傳輸寄存器下面（因為沒有在垂直傳輸寄存器的相反側(cè)畫出溢流溝道）。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.3傳感器的溢流溝道工業(yè)相機原理圖3.1-11隔列轉(zhuǎn)移型CCD傳感器。在傳感器上增加溢流溝道帶來的一個有趣的效果是其可以用來作為攝像機的電子快門。將溝道處的電勢置為0，光電探測器不再充電；（即使曝光，但由于沒有電壓差，MOS無法累積電荷）然后可以將溝道的電位在曝光時間內(nèi)置為高，即可以累積電荷至讀出。溢流溝道還使傳感器可以在接收到外觸發(fā)信號后立即開始采集圖像，也就是接收到外觸發(fā)信號后整個傳感器可以立即復位，圖像開始曝光然后正常讀出。這種操作模式稱作異步復位（asynchronousreset）。與機械快門相比，電子快門它實際上并沒有"門"，而是利用了CCD感光系統(tǒng)不通電不工作的原理，在CCD不通電的情況下，盡管像場窗口仍然"大敞開"，但是并不能產(chǎn)生圖像。如果在按下快門鈕時，使用電子時間電路，使CCD只工作"一個指定的時間長短"，就也能獲得像有快門"瞬間打開"一樣的效果。所以電子快門數(shù)碼相機在按下快門時是"無聲"的。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.3傳感器的溢流溝道工業(yè)相機原理知識點補充針對數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)常會遇到復位電路的設(shè)計，同步復位與異步復位的區(qū)別與聯(lián)系如下：(1)同步復位原理：同步復位只有在時鐘沿到來時復位信號才起作用，則復位信號持續(xù)的時間應(yīng)該超過一個時鐘周期才能保證系統(tǒng)復位。(2)異步復位原理：異步復位只要有復位信號，系統(tǒng)馬上復位，因此異步復位抗干擾能力差，有些噪聲信號也能使系統(tǒng)復位，因此有時候顯得不夠穩(wěn)定，要想設(shè)計一個好的復位，最好使用異步復位同步釋放。3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.3傳感器的溢流溝道工業(yè)相機原理知識點補充1、同步復位：

復位的有效條件與clk的上升沿有關(guān)，當clk的上升沿采到rst_n為低的時候可復位。仿真波形如下圖所示,oa為復位后的信號：解釋：復位信號拉低后，當時鐘信號上升沿到來時，輸出信號才復位。2、異步復位仿真波形如下圖所示，oa為復位后的信號：解釋：當clk上升沿采到rst_n為低時可復位，同時當遇到rst_n下降沿時也可進行復位。（總之，遇到復位信號下降沿就復位。）3.1.2線陣CCD圖像傳感器和面陣CCD圖像傳感器——3.1.2.3傳感器的溢流溝道工業(yè)相機原理第3章工業(yè)相機的核心—圖像傳感器3.2.CMOS傳感器3.2.1基本原理和工作過程3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理攝像機的作用是將通過鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像。攝像機中最重要的組成部件是數(shù)字圖像傳感器。兩種主要的傳感器技術(shù)：CCD（charge-coupleddevice，電耦合器件）和CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor,互補型金屬氧化物半導體）。兩者的主要區(qū)別是從芯片中讀出數(shù)據(jù)的方式（即，讀出結(jié)構(gòu)）不同。第3章工業(yè)相機的核心——圖像傳感器回顧工業(yè)相機原理第3章工業(yè)相機的核心——圖像傳感器3.2CMOS傳感器（CMOS的工作原理——光信號是如何通過CMOS轉(zhuǎn)換為電信號，進而形成一幅圖像的？）CCD、CMOS的原理與區(qū)別工業(yè)相機原理如圖3.2-1所示，CMOS傳感器通常采用光電二極管作為光電探測器。(CCD采用的也是光電二極管)3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理圖3.2-1CMOS傳感器。光電二極管將光轉(zhuǎn)換為電荷,通過行和列選擇電路，CMOS傳感器的每行可以選擇直接讀出與CCD傳感器不同，光電二極管中的電荷不是順序地轉(zhuǎn)移到讀出寄存器，CMOS傳感器的每一行都可以通過行和列選擇電路直接選擇并讀出?；谶@方面，CMOS傳感器可以當作隨機存取存儲器。如圖所示，CMOS每個像素都有一個自己的獨立放大器。這種類型傳感器也稱作主動像素傳感器（APS，activepixelsensor，又稱為：有源像素傳感器）。CMOS傳感器常用數(shù)字視頻作輸出。因此，圖像每行中的像素通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器陣列并行地轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理圖3.2-1CMOS傳感器因為放大器及行、列選擇電路常會用到每個像素大部分面積，因此與隔列轉(zhuǎn)移型CCD傳感器一樣，CMOS傳感器的填充因子很低。因此常使用微鏡來增加填充因子和減少圖像失真。CMOS傳感器的隨機讀取特性使其很容易實現(xiàn)圖像的矩形感興趣區(qū)域（AOI,areasofinterest）讀出方式（俗稱，“開窗”）。與CCD傳感器相比，對于有些應(yīng)用這點有很大優(yōu)勢，在較小的AOI時可以得到更高的幀率。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理盡管CCD也可以實現(xiàn)AOI，但其讀出結(jié)構(gòu)決定了CCD必須將AOI上方和下方所有行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移出再丟掉。由于丟掉行比讀出要快，所以這種方法也可以提高幀率。然而，通常減小水平方向而生成的感興趣區(qū)域不能提高幀率。因為電荷必須通過電荷轉(zhuǎn)換單元才能轉(zhuǎn)移。（即電荷仍然得從上向下通過每個像素單元轉(zhuǎn)移下來，才能進行讀出）CMOS另外一個大的優(yōu)點就是可以在傳感器上實現(xiàn)并行模數(shù)轉(zhuǎn)換。這就使CMOS即使不使用AOI也能具有較高幀率。而且還可以在每個像素上集成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以進一步提高讀出速度。這種傳感器又稱作數(shù)字像素傳感器（DPS,digitalpixelsensors）。圖3.2-1所示為面陣傳感器。同理可以構(gòu)造線陣傳感器。CMOS傳感器的主要優(yōu)點是其讀出速度快。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理由于CMOS傳感器每一行都可以獨立讀出，因此最簡單得到一幅圖像的方式就是一行一行曝光并讀出。（之前介紹的CCD是整個像素區(qū)域的所有光電二極管一起曝光）當然，對于連續(xù)的圖像行，曝光時間和讀出時間可以重疊（即前一行讀出的同時，下一行曝光）。這就叫行曝光（rollingshutter）。顯然這種讀出方式使圖像的第一行和最后一行有很大的采集時差，如圖3.2-2（a）所示，采集運動物體圖像就會產(chǎn)生明顯的變形。對于運動被測物，必須使用全局曝光(globalshutter)的傳感器。全局曝光傳感器對應(yīng)每個像素都需要一個存儲區(qū)，因此降低了填充因子。如圖3.2-2（b）對于運動物體全局曝光可以得到正確的圖像。最簡單的方式為什么不是整個像素區(qū)域一起曝光？答：因為速度問題。就算是一起曝光，移出的時候還是得一樣一行的移。所以行曝光的方式效率會很高，即前一行讀出的同時，下一行曝光。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理圖3.2-2對于運動物體使用行曝光(a)和全局曝光(b)采集圖像的比較與CCD傳感器一樣，至今為止我們討論的積分（integrating）CMOS傳感器是線性響應(yīng)（linearresponse），線性響應(yīng)是精確邊緣探測所必需的?！疽娤马摗课锢硪饬x：線性-》指的是電荷與圖像亮度的對應(yīng)關(guān)系3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理圖3.2-3對理想的對稱邊緣剖面應(yīng)用非線性灰度值響應(yīng)曲線后的結(jié)果。左上圖是理想邊緣剖面，下圖是非線性響應(yīng)。右上圖顯示的是調(diào)整前和調(diào)整后的灰度值剖面。注意非線性響應(yīng)嚴重影響了邊緣位置。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理然而對于像在線焊接檢測這類應(yīng)用，被測物亮度有6個數(shù)量級或更高變化。為使這種巨大的亮度差能夠共存于一幅灰度圖像，必須使用非線性灰度響應(yīng)。為此開發(fā)了對數(shù)響應(yīng)(logarithmicresponse)CMOS傳感器和線性-對數(shù)混合響應(yīng)CMOS傳感器。大多數(shù)情況下是將光電傳感器產(chǎn)生的光電流反饋到具有對數(shù)電流-電壓特性的電阻上，因此就是非積分的了（non-integrating）。物理意義：非線性3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理CCD與CMOS傳感器綜合對比總結(jié)3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理把上述兩種傳感器抽象一下，有下面這兩張電路圖。CCD傳感器電路圖：電壓轉(zhuǎn)換必須在電荷傳送到水平移位寄存器后。CMOS傳感器示意圖：各個像元內(nèi)包含感光元件和電壓轉(zhuǎn)換器，可以在像元內(nèi)把光子轉(zhuǎn)換成電壓。忽略電路板部分，只關(guān)注感光部分，有如下的示意圖。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理隔列轉(zhuǎn)移型CCD傳感器示意圖。CCD本質(zhì)上是一個大陣列的半導體“桶”，可以將傳入的光子轉(zhuǎn)換為電子并保持累積的電荷。這些電荷，可以被垂直移位寄存器，向下轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，水平移位寄存器以將電荷轉(zhuǎn)換為電壓并輸出。CMOS傳感器示意圖?；パa金屬氧化物半導體設(shè)計不是傳輸電荷桶，而是立即將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，并在微線上輸出電壓。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理CCD與CMOS傳感器綜合對比總結(jié)1、卷簾快門

卷簾快門英文標識為Rollingshutter（滾動快門/行曝光），這種快門的特點就是CMOS像素（二極管）漸次曝光。也就是CMOS一個接一個的曝光，這樣的好處是可以達到更高的幀率，但壞處就是被攝主體快速移動時，會出現(xiàn)部分曝光(partialexposure)、斜坡圖形(skew)、晃動(wobble)等現(xiàn)象。

2、全局快門

全局快門也稱為Globalshutter，特點就是整幅場景在同一時間完成曝光。傳感器所有像素點（二極管）同時收集光線，同時曝光。與滾動快門不同，這種同時曝光方式，就沒有滾動了。

CCD就是全局工作方式。所有像素同時曝光。

3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理Global&Rolling區(qū)別?整個芯片的每行像素全部同時進行曝光，每一行像元的曝光開始和結(jié)束時間相同。曝光完成后，數(shù)據(jù)開始逐行讀出;芯片開始曝光的時候，每行均按照順序依次開始曝光。第一行曝光結(jié)束后，便立即開始讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完全讀出后，下一行再開始讀出數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。3.2CMOS傳感器——3.2.1CMOS傳感器的基本原理和工作過程工業(yè)相機原理感光芯片3TCMOS滾動快門或全局快門4TCMOS串行全幀快門5TCMOS并行全幀快門幾T與快門方式的對應(yīng)關(guān)系？3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理CMOS圖像傳感器的像素陣列CMOS圖像傳感器的像素陣列由大量相同的像素單元組成，這些相同的像素單元是傳感器的關(guān)鍵部分。隨著CMOS圖像傳感器的發(fā)展，可以細分為很多類，這里我們依照像素不同類型來分，就可分為兩大類：一類是無源像素傳感器（CMOS-PPS），另一類是有源像素傳感器（CMOS-APS）。3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理簡單地講就是需能（電）源的器件叫有源器件，無需能（電）源的器件就是無源器件。有源器件一般用來信號放大、變換等，無源器件用來進行信號傳輸，或者通過方向性進行“信號放大”。容、阻、感都是無源器件，IC、模塊等都是有源器件。通俗的說就是需要電源才能顯示其特性的就是有源元件，如三極管。而不用電源就能顯示其特性的就叫無源元件。詳解3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理有源像素傳感器這種有源像素傳感器的像素單元通常稱為3-T(3-Trnasistor)結(jié)構(gòu)，在像素單元中，除一個光二極管外，還包括一個重置(Reset)MOS管、一個源極跟隨器(SourceFollower)MOS管和一個行選MOS管。即一個光二極管+3個MOS管。3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理感光芯片

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3TCMOS3TCMOS的ERS（ElectronicRollingShutter，電子卷簾快門）曝光拍攝運動物體時的圖像變形3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理低成本解決方案，低端CMOS最常用的結(jié)構(gòu)ERS曝光，只能抓拍靜止物體。GS（GlobalShutter，Totalshutter）曝光，但使用頻閃燈配合可以抓拍運動物體在低成本檢測領(lǐng)域中應(yīng)用結(jié)構(gòu)較3TCMOS復雜，性能較高同步快門方式，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)移型CCD的抓拍運動物體的功能在工業(yè)場合應(yīng)用很廣感光芯片—

4TCMOS3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理結(jié)構(gòu)較4TCMOS復雜同步快門方式，較4TCMOS，它可以實現(xiàn)“global”或“pipelined”快門，即在輸出上一場圖像的同時曝光下一場圖像，從而實現(xiàn)高速成像在高速成像領(lǐng)域應(yīng)用較廣感光芯片—

5TCMOS3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理3Tpixelwithin-pixelsample-and-hold(S/H)像素內(nèi)具有采樣保持功能的3T像元結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器基本結(jié)構(gòu)-有源(6T)像元結(jié)構(gòu)了解3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理了解3.2CMOS傳感器——3.2.2像素單元的電路結(jié)構(gòu)與成像性能工業(yè)相機原理指標5TPPD6TPPD量子效率60%50%讀出噪聲60el65elPRNU1.5%2%FPN100el300el電壓波動1V0.5V功率100%120%表3.2-15Tvs.6T(e.g.for6μmpixel).其中，PPD（PinnedPhotodiode）表示固定光電二極管，el為電子（Electron）的縮寫第3章工業(yè)相機的核心——圖像傳感器3.3.彩色工業(yè)相機3.3.1單芯片彩色相機3.3.2其他彩色成像方案工業(yè)相機原理如何產(chǎn)生彩色圖像？3.3彩色攝像機CCD和CMOS傳感器的光譜響應(yīng)CCD和CMOS傳感器對于近紫外（200nm）至可見光（380-780nm）直至近紅外（1100nm）波長范圍都有響應(yīng)。每個傳感器都是按其光譜響應(yīng)函數(shù)對于入射光做出響應(yīng)。傳感器產(chǎn)生的灰度值是傳感器所能感應(yīng)的所有波長范圍內(nèi)入射光的累積后按傳感器光譜響應(yīng)的結(jié)果。圖3.3-1所示是日光下典型CCD、CMOS和人眼的光譜響應(yīng)曲線。工業(yè)相機原理3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機七色光分別為：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫；其波長范圍分別為：1、紅光：波長范圍：625~740nm；2、橙光：波長范圍：590~610nm；3、黃光：波長范圍：570~585nm；4、綠光：波長范圍：492～577nm；5、靛光：波長范圍：420~440nm；6、藍光：波長范圍：440~475nm；7、紫光：波長范圍：380～420nm。圖3.3-1典型CCD、CMOS傳感器和人眼在日光下的光譜響應(yīng)曲線。由于作過歸一化，所以最大響應(yīng)為1由圖3.3-1可見，傳感器的光譜響應(yīng)范圍要比人眼范圍廣許多。在有些應(yīng)用中可以利用紅外閃光燈照明，在傳感器上使用紅外通過濾鏡使可見光得到抑制，僅使紅外光到達傳感器。由于人眼對紅外光沒有響應(yīng)，使用紅外閃光燈可以不用屏蔽。另一方面，盡管傳感器對紫外也有響應(yīng)，但由于通常情況下鏡頭是玻璃制作的，阻止紫外光，因此通常不需要特殊濾光片濾掉紫外，當需要紫外響應(yīng)時，需要特殊的鏡頭。工業(yè)相機原理人眼最敏感的顏色是？綠色3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機圖3.3-1典型CCD、CMOS傳感器和人眼在日光下的光譜響應(yīng)曲線。由于作過歸一化，所以最大響應(yīng)為1單芯片攝像機（single-chip）由于CCD和CMOS傳感器對于整個可見光波段全部都有響應(yīng)，所以無法產(chǎn)生彩色圖像。為了產(chǎn)生彩色圖像，需要在傳感器前面加上彩色濾鏡陣列（colorfilterarray,CFA）使得只允許一定波長范圍的光到達每個光電探測器。由于這種傳感器僅使用一個芯片得到彩色信息，所以稱作單芯片攝像機（single-chip）。工業(yè)相機原理3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機圖3.3-2表示了最常見的Bayer濾鏡陣列。這種濾鏡陣列由三種濾鏡組成，每種濾鏡都可以透過人眼敏感的三基色紅、綠、藍中的一種。由于人眼對綠色最為敏感，所以濾鏡陣列中綠色采樣頻率是其他兩種的兩倍。值得注意的是由于綠色采樣是1/2，紅、藍1/4，這就導致了嚴重的圖像失真(aliasingproblems)。。工業(yè)相機原理3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理色彩濾鏡矩陣ColorFilterArray（CFA）1976年，BryceBayer發(fā)明的BayerFilter是目前市場上用途最廣泛的CFA。包含了1個紅光、1個藍光、2個綠光濾波器。3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機圖3.3-2單芯片彩色相機傳感器前加有彩色濾鏡陣列，使得特定波長范圍的光到達各個光電傳感器。圖中展示了Bayer濾鏡陣列單芯片彩色攝像機傳感器前加有Bayer濾鏡陣列，使得特定波長范圍的光到達各個光電傳感器。為了得到傳感器全分辨率下的每種顏色，少采樣的部分需要通過稱作顏色插值的處理來重建（即：Demosaic逆馬賽克）。工業(yè)相機原理少采樣的部分3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理Demosaic(逆馬賽克)當光線通過Bayer型CFA（ColorFilterArrays）陣列之后，光線打在傳感器上，分別得到了BGR數(shù)據(jù)，在這里，BGR的數(shù)據(jù)采樣比為1:2:1，是因為人眼對綠色光（550nm）更為敏感，其中G也稱作亮度信息，BR為色度信息。可以看出，在右側(cè)的Bayer圖中，每一個pixel都只有BGR數(shù)據(jù)中的一個，所以就需要利用插值來補充其他兩個通道的顏色信息。才能形成一幅正常的全彩色圖像。3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機圖3.3-3Bayer圖顏色重建（即：逆馬賽克）的最簡單方法是最近鄰插值和雙線性插值。下面回顧兩種插值方法最近鄰插值雙線性插值工業(yè)相機原理3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機1、最近鄰插值：工業(yè)相機原理1）原理與應(yīng)用最近鄰插值法nearest_neighbor是最簡單的灰度值插值。也稱作零階插值，就是令變換后像素的灰度值等于距它最近的輸入像素的灰度值。最近鄰插值法可應(yīng)用于圖像的縮放，因為簡單的變換與計算，效果一般不好。舉例說明其變換過程：先假設(shè)一個2X2像素的圖片采用最近鄰插值法需要放大到4X4像素的圖片，右邊？該為多少。3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理2）

公式及計算最近鄰插值法坐標變換計算公式：

srcX=dstX*(srcWidth/dstWidth)

srcY=dstY*(srcHeight/dstHeight)上式中，dstX與dstY為目標圖像的某個像素的橫縱坐標，dstWidth與dstHeight為目標圖像的長與寬；srcWidth與srcHeight為原圖像的寬度與高度。srcX，srcY為目標圖像在該點（dstX，dstY）對應(yīng)的原圖像的坐標。如果是放大圖像，(srcWidth/dstWidth)值小于1，同樣將dstX同比例映射到原圖像的srcX中，如果srcWidth/dstWidth=1，就相當于復制了圖片。以左上角為(0,0)坐標3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理右圖為經(jīng)過放大后的目標圖像，？處的坐標為(3,2)，根據(jù)公式計算得到

srcX=3*(2/4)=1.5srcY=2*(2/4)=1故？處的像素應(yīng)該為原圖像中的(1.5,1)像素的值，但是像素坐標沒有小數(shù)，一般采用四舍五入取最鄰，所以最終的結(jié)果為(2,1)，對應(yīng)原圖像的橙色。其他類比得到放大后的圖像如右圖：3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理2、雙線性插值：雙線性插值算法也叫一階插值，它是利用了待求像素點在源圖像中4個最近鄰像素之間的相關(guān)性，通過兩次線性插值得到待求像素點的值，假設(shè)映射回源圖像中的待求像素坐標點為(i+u,j+v)

，其中u,v∈(0,1)，雙線性插值方法利用該點周圍四個相鄰像素點f(i,j),f(i+1,j),f(i,j+1),f(i+1,j+1)計算得到，其中f(i,j)為圖像在(i,j)處的像素值，如下圖所示?；纠碚?.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理插值過程：先在水平方向上進行線性內(nèi)插，由f(i,j)和f(i+1,j)內(nèi)插得到R1點的值，即f(R1)=(1-u)f(i,j)+uf(i+1,j)由f(i,j+1)和f(i+1,j+1)內(nèi)插得到R2點的值，即f(R2)=(1-u)f(i,j+1)+uf(i+1,j+1)再由R1和R2點在豎直方向上線性內(nèi)插得到f(i+u,j+v)，即f(i+u,j+v)=(1-v)f(R1)+vf(R2)=u[f(i+1,j)-(i,j)]+v[f(i,j+1)-f(i,j)]+uv[f(i,j)-f(i,j+1)-f(i+1,j)+f(i+1,j+1)]+f(i,j)基本理論3.3彩色攝像機——3.3.1單芯片彩色相機工業(yè)相機原理當然結(jié)果與插值順序無關(guān)，即先在豎直方向插值，再在水平方向插值得到的結(jié)果