CMOS图像传感器第四章CMOS

第四章数码相机的工作原理及性能第一节数码相机的电原理框图通过数码相机下面的电原理框图我们就可以了解数码相机的摄影原理上图就是数码相机的主要部件组成和工作原理图。

由图可见，被测景物的光线通过相机的光学镜头传送到CCD图像传感器，CCD将光的强弱光信号转换为相应强度的电量信号再传送至A/D模数转换器，A/D模数转换器再将电量模拟信号转换为二进制数字信号，再传至相机的DSP数字信号微处理器，经过数学处理后的数字信号同时传至相机内部的静态/动态存储器存储和传至图像控制器处理，再由图像控制器将图像数字信号处理后再传至LCD液晶显示器显示被拍摄景物的图像，另外还传至图像压缩器将图像压缩成JPEG等格式后，再传至外接存储卡（闪存卡）以及通过USB连线将图像传至电脑或照片打印机。

由上述可知，数码相机之所以被称为数码相机，其主要道理就是它把二进制数码信号成像，所以称为数码相机。

第二节数码相机的的光电传感器与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，其原理是胶卷底片上的无数银盐颗粒感光成图像。

而数码相机的“胶卷”就是其成像光电传感器，其原理是光电传感器上的大量光电器件（光电二极管）感光成电图像。

传统相机的底片可以从相机内取出来，但数码相机的光电传感器却是与相机固定一体不可取出的。

光电传感器是数码相机的核心，也是最关键的部件之一。

在数码相机内起着特别重要的作用。

数码相机的发展道路，可以说就是光电传感器的发展道路。

目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是新开发的CMOS（互补金属氧化物导体）器件。

⑴ CCD光电传感器CCD光电传感器是电荷耦合器件图像传感器CCD（charge coupled device）. 它是用一种高感光度的半导体材料制成的感光器件，在该器件上集成了数以百万计以上的数目的光电二极管，这些大量光电二极管能各自把接受到的来自被摄景物的不同亮度的光线转变成相应强弱的电荷，这些强弱不同的电荷量再通过A/D模数转换芯片转换为相应大小不同的数字量，最后再由相机内的微处理器将这些数字量处理成像。

CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术研究第一章绪论CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺制造的图像传感器，具有低功耗、高集成度、成像速度快等优势。

同时，视觉信号处理技术是CMOS图像传感器技术中的关键环节，对CMOS图像传感器的成像质量和性能影响非常大。

因此，对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行研究和优化具有重要的意义。

本文将对CMOS图像传感器中的视觉信号处理技术进行探讨，从图像信号增强、去噪、边缘检测、分割、识别等方面进行论述，旨在为相关科研工作者和技术人员提供一定的参考和借鉴。

第二章图像信号增强技术图像信号增强技术是指对图像信号进行滤波或其他处理，以提高图像质量和清晰度的技术。

在CMOS图像传感器中，图像信号增强技术可以用来提高图像的对比度、清晰度和细节等方面。

常用的图像增强方法包括直方图均衡化、灰度变换、滤波等。

直方图均衡化是一种常用的图像增强方法，其基本思想是通过对图像的亮度分布进行统计分析，得出图像的灰度直方图，然后通过调整灰度值分布来增强图像对比度和清晰度。

在CMOS图像传感器中，直方图均衡化可以用于提高光照均匀的场景下的图像质量，如室内照明不均匀、夜间低光量等场景。

灰度变换是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是将原图像的灰度级经过某种变换后得到一个新的灰度级。

通过确定变换函数的形式和参数，可以调整图像亮度和对比度等参数，以达到增强图像的目的。

在CMOS图像传感器中，灰度变换可以用于对不同亮度场景下的图像进行在线调整，以提高图片的质量和可读性。

滤波是另一种常用的图像增强方法，其基本思想是对图像信号进行卷积操作，以去除噪声和增强图像特征。

常用的滤波方法包括高通滤波、低通滤波、中值滤波等。

在CMOS图像传感器中，滤波可以用于去除CMOS图像传感器输出信号中的噪声和干扰，提高图像的质量和可靠性。

第三章图像去噪技术图像噪声是指图像中包含的非目标信号，它会降低图像的质量和清晰度。

CMOS图像传感器简介——机制班张波摘要：本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。

1．引言CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。

自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1]，因而没有得到重视和发展。

而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。

由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。

2．基本原理CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。

CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。

根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。

根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

图1 CMOS图像传感器工作原理（1）无源像素被动式传感器（PPS）PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。

当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。

无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。

CMOS图像传感器简介——机制班张波摘要：本文介绍了CMOS图像传感器的工作原理和性能指标，指出了CMOS图像传感器的技术问题和解决途径，综述了CMOS图像传感器的现状和发展趋势。

1．引言CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和电荷耦合器件（CCD）图像传感器的原理相同。

自从上世纪60年代末期，CMOS图像传感器与CCD图像传感器的研究几乎同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够[1]，因而没有得到重视和发展。

而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场[2]。

由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。

2．基本原理CMOS型和CCD型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。

CMOS图像传感器工作原理如图1所示[3]。

根据像素的不同结构，CMOS图像传感器可以分为无源像素被动式传感器（PPS）和有源像素主动式传感器（APS）。

根据光生电荷的不同产生方式APS 又分为光敏二极管型、光栅型和对数响应型，现在又提出了DPS(digital pixel sensor)概念。

图1 CMOS图像传感器工作原理（1）无源像素被动式传感器（PPS）PPS的像素结构包含一个光电二极管和一个场效应管开关V，其像素结构如图2所示，图3为信号时序图。

当V选通时，光电二极管中由于光照产生的电荷传送到了列选择线，然后列选择线下端的积分放大器将该信号转化为电压输出，光电二极管中产生的电荷与光信号成一定的比例关系。

无源像素具有单元结构简单、寻址简单、填充系数高、量子效率高等优点，但它灵敏度低、读出噪声大。

2012届毕业生毕业设计说明书题目: 基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计年月日目次1 概述 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 研究目的和意义 (1)1.3 CMOS图像传感器国内外研究现状 (2)1.4 主要研究内容 (3)2 方案论证 (3)2.1 CMOS与CCD比较 (3)2.2 CMOS图像传感器工作原理 (5)2.3图像处理芯片选择 (7)2.4 FPGA工作原理 (7)2.5 总线介绍 (8)2.6 系统总体方案设计 (9)3 图像采集系统硬件设计 (11)3.1 图像传感器外围电路设计 (12)3.2 FPGA与图像传感器连接设计 (14)3.3 数据传输电路设计 (15)3.4采集图像缓存电路 (16)3.5 电源电路设计 (16)3.6 系统稳定性设计 (17)4 系统采集方案软件设计 (18)4.1 CMOS图像传感器数据采集流程图 (19)4.2 SCCB总线接口设计 (20)4.3 FPGA程序流程设计 (20)5 总结 (22)参考文献 (24)1 概述1.1 选题背景现代社会人们对于图像的获取的要求越来越高，不仅在日常生活中存在着视频图像的应用，在现代工业生产中图像的采集程度直接影响到整个工业的自动化水平和生产效益。

因此图像传感器获得很好的应用市场和发展机会，在应用中不断得到创新。

因此图像传感器的种类繁多，能适用于不同的场合。

在图像获取与运用中，图像传感器占据着重要的位置，因此越来越多的专家学者致力于图像处理的分析研究，并且取得了非常成功的效果。

在很长一段时间中，由于技术的限制，CCD一直垄断着图像传感器市场，使得成像技术的单一化。

近年来随着CMOS的不断完善，其独特的性能优势逐渐体现出来。

并且在研究领域得到了发展，很多技术得到了攻克。

例如抑制噪声干扰、提高分辨率等方面取得了很大突破，在市场上得到了很迅速的应用，被广泛的应用到各种图像采集系统中。

本科阶段对CMOS的研究无疑会对今后的工作产生巨大的促进作用，但是CMOS图像采集技术一直被国外垄断，国内发展并不成熟。

目录基本原理与应用展开CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。

CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。

其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS 图像传感器发展的开端。

1995年低噪声的CMOS有源像素传感器单片数字相机获得成功。

CMOS图像传感器具有以下几个优点:1)、随机窗口读取能力。

随机窗口读取操作是CMOS图像传感器在功能上优于CCD的一个方面，也称之为感兴趣区域选取。

此外，CMOS图像传感器的高集成特性使其很容易实现同时开多个跟踪窗口的功能。

2)、抗辐射能力。

总的来说，CMOS图像传感器潜在的抗辐射性能相对于CCD性能有重要增强。

3)、系统复杂程度和可靠性。

采用CMOS图像传感器可以大大地简化系统硬件结构。

4)、非破坏性数据读出方式。

5)、优化的曝光控制。

值得注意的是，由于在像元结构中集成了多个功能晶体管的原因，CMOS图像传感器也存在着若干缺点，主要是噪声和填充率两个指标。

鉴于CMOS图像传感器相对优越的性能，使得CMOS图像传感器在各个领域得到了广泛的应用。

美国高清高速CMOS图像传感器DYNAMAX-11:潘纳维申影像这颗新的传感器含有的全局电子曝光快门技术，极大地改善了工业成像在室内和室外的应用。

这颗新发布的DYNAMAX-11图像传感器适合用于机器视觉、安防监控、智能交通、生命科学、生物医疗、科学影像、高清录像、电视广播等工业成像领域。