《图像处理、分析与机器视觉第四版》摄像机相机概述—

文章目录

摄像机概述
- 光敏传感器
- - CCD
  - CMOS
- 黑白摄像机
- - 模拟摄像机
  - 数字摄像机
  - 对比
- 彩色摄像机

摄像机概述

光敏传感器

常见的摄像机（摄像头）中的光敏传感器可分为两组：

基于光发射（photo-emission ）原理的传感器利用光电效应。传入辐射携带的外部光子带有足以激发自由电子的能量。这种现象在金属中最强烈。在图像分析相关应用中，它被用于光电倍增管和真空管电视摄像机中。

基于光伏（photovoltaic）原理的传感器随着半导体的发展而广泛使用。光子的能量引起电子从价电带改变为导电带。传入的光子数量影响宏观的导电性。激发的电子是电压源而以电流形式显现出来，电流正比于传入能量（光子〉的量。这种现象用在了几种技术元件中，例如，光电二极管，雪崩型光电二极管（光放火器，从用户角度看与光电倍增管具有类似性能，它也放大了噪声，用于例如夜视摄像机中），光敏电阻器，肖特基光电二极管。

在摄像机中广泛使用的半导体光敏传感器有两个类型：CCD （电荷精合器件charge-coupled device）和CMOS （互补型金属氧化物半导体complementarymetal oxide semicon ductor ）。

CCD

CCD技术成熟于20世纪70年代，发展成为摄像机中最广泛使用的光传感器。

在CCD传感器中，每个像素的电荷通过仅仅－个输出结点传送被转换成电压，暂存、传出芯片作为一模拟信号。整个像素区域可全用于光的获取。

CCD传感器的基础元件包含一肖特基光电二极管和一场效应晶体管。落在光电二极管结合处的光子从品格中释放电子产生势阱，使电荷在电容器中积累。收集到的电荷与光的强度和照射在光电二极管上的持续时间成正比。

CD芯片有三个固有问题：

模糊现象由邻近像素中电荷的相互影响形成。
不可能直接取址获取CCD芯片中的单个像素，因为读取是经由移位寄存器的。
单个CCD元件能累积3万～20万个电子。CCD传感器固有噪声的普通水平是20个电子的数量水平。在冷却的CCD芯片情况下，信噪比CSNR）为SNR=20log(200000/20），即在最好的情况下对数噪声大约是80dB。这就使得CCD传感器最好情况下能够处理四个亮度数量级。而对于非冷却的CCD摄像机来说，这个范围降至火约两个数量级。传入的光的亮度变化范围通常会更高。

CMOS

CMOS技术成熟于20世纪90年代。

在CMOS传感器中，每个像素有其自身的电荷到电压的转换器，传感器常包含放大器、噪声矫正和数字化电路，以便芯片输出（数字的〉二进制数字。这些其他功能增加了设计复杂度，减小了可用于捕捉光的区域。针对基本操作，可以制造需要较少片外电路的芯片。

半导体技术的发展使得矩阵型的CMOS技术的传感器的生产成为可能。第一，大规模的生产，这是因为处理器和存储器是用同样的技术制造的。这具有两个优点。第，大规模生产导致低价格：因为同样是CMOS技术，光敏矩阵型元件可以集成到与处理器与／或操作存储器同一芯片上。这为“ 聪明摄像机（smart cameras）” 打开了人门，将图像获取和基本图像处理在同一芯片上进行。

CMOS摄像机（不同于CCD）的另一优点是更高的感光强度范固（约四个数量级），读出时间快（约100ns）及随机存取单个像素。缺点是噪声水平高了大约一个数量级。

目前的技术还达不到人眼的水平。进化使人眼具有能够感知不寻常的九个强度（亮度）数量级（如果提供其适应的时间）。

黑白摄像机

摄像机由光学系统（镜头）、光敏传感器和使之能够捕获图像并为进一步处理而传送图像的电子组件生且成。

尽管目前图像获取设备越来越多地使用全数字摄像机，为了使内容完整，这里先简要介绍上一代的模拟摄像机。模拟摄像机产生完整的电视信号，包含光强信息和使之能逐行显示的横向和纵向同步脉冲。模拟摄像机需要一块数字化电路板（图像捕捉卡）与图像获取链相连。

模拟摄像机

模拟摄像机有抖动问题，即两个相邻的线没有对齐而彼此在统计方式下相对地 “ 浮动 ”。但是，当摄像机用于测量目的时，比如计量，抖动会引起问题。非隔行扫描的模拟摄像机配上合适的帧捕捉卡抑制了这个问题。

当前，人们在测量应用中优先选择使用数字摄像机，这些数字摄像机为测量应用提供了更高的分辨率－在这一版本教材准备的过程中，CMOS摄像机芯片的分辨率已经达到了10 000×7 096像素。

带CCD芯片的模拟摄像机的模块框图如图2.35 所示。AGC (Automatic Gain Contro l自动增益控制〉模块根据场景中光的多少自动改变摄像机的增益。增益在如下两个因素之间做折中，使场景中在低照度区域有必要的敏感度和力图避免在亮的区域饱和。

摄像机通常还有一个模块称作r矫正，实施亮度级的非线性变换。注意现代平板液晶显示器（ Liquid Crystal Displays, LCD）的亮度与输入电压成线性关系。

有时，有必要将摄像机用作传入光强度的绝对测量设备。在实际测量开始前，必须对图像捕捉链作辐射计量的校正。在这种情况札需要关掉AGC和r矫正。更高品质的摄像机允许打开或关掉AGC和y矫正。对于便直的摄像机，通过干预摄像机的电子组件关掉AGC和y矫正也是可能的。

数字摄像机

数字摄像机的模块框图如图2.36所示。从光子能量到电压的转换与模拟摄像机相同，包含可能的AGC和／或y矫正。模数（Al D）转换器提供一正比于输入光强度的数。需要将这些数传入计算机进行后续处理，连接可以由并行的或串行的硬件来完成。串行连接通常利用广泛使用的IEEE 1394 (FireWire （新串接规格）〉或USB (Universal Serial Bus通用串行总线）技术标准。在并行连接的情况下，只能使用长度大约l米的短缆线。

对比

彩色摄像机

电子的光敏传感器是单色的。有三种策略来获取彩色图像：

在单色摄像机前利用色彩滤波器依次记录三种不同的图像。这种方法只用于精确的实验室测量，因为对于任意涉及运动的物体不可能这样做。
在单个传感器上使用色彩滤波器阵列
使用类棱镜元件将传入光分解成几种色彩通道。

常将色彩滤波器阵列镶嵌与单个光敏传感器相结合创建彩色摄像机。每个像京被覆盖以单个滤波器，这可以在芯片包上的玻璃遮盖上实现（混合滤波器），或直接在硅片上实现（ monolithic滤波器〉。每个像素获取一种颜色。因此，彩色分辨率大约只是几何分辨率的三分之一，而在单色摄像机时这个几何分辨率则对应于同样数量的像素。每个像素的完整彩色数的可以通过局部邻接区域内相同彩色的内插获得。

人眼对于绿色最敏感，红色次之，蓝色最差。这一特性在单芯片摄像机的最普通的色彩滤波器上用到了，称作Bayer滤波器镶嵌或模式（Bryce E. Bayer, 1976年的
美国专利），如下图。可以发现，绿色敏感的像素数目与红色和蓝色敏感像素合起来的数目一样多。

镶嵌滤波器的突出优点是其光学简单性，它提供了为了使用标准胶片镜头所必需的单一的焦平面。好的镶嵌滤波器提供优质的带通传送。很多专业级的数码单反（ SLR （Single Lens Reflex）单镜头反射）和电影摄像机使用镶嵌滤波器。

多芯片摄像机使用色彩滤波器将传入光分成不同的色彩通道。光传感器简单而保持空间分辨率。将传感器与分色器和I棱镜相配准和注册；后要高精度。对于相同大小的像索，因为其滤波器损失的光应该比较少，分色系统在低Yt’tr’J况F应该具有更高的敏感性。

光束分离器方法使光学系统复杂化，包着地限制f镜头的选择。这些偏差可以通过专门设计与棱镜一起使用的镜头来克服，但是这种摄像机特定化的镜头稀少、不灵活向－门昂贵。