CMOS相机和CCD相机之间的像素合并（Binning）的区别

CMOS相机和CCD相机在技术之间存在很多差异，其中一个方面是它们如何处理像素合并（Binning）。本文将探讨CMOS和CCD之间像素合并的主要区别，并说明它们的含义。

什么是像素合并（Binning）？

简而言之，在CCD和CMOS中，像素合并是将图像中的像素合并为“超级像素”的技术。它通常以2×2或3×3等形式进行。在这种情况下，单个像素中的信号被组合成超级像素。这有助于提高信噪比（SNR）。但是，由于它包含较少但较大的像素，因此也会降低图像的分辨率。CMOS的像素合并过程在像素数字化完成后在软件中进行，而CCD的像素合并过程是在硬件或“芯片上”进行。

为了使该过程可视化，下图(1)有4个像素（蓝色），每个像素包含一个电子e-（红色）。

图(1)

在对像素进行合并时，我们将它们的值加在一起，如图（2），以创建一个包含所有4个电子e-的像素。

图（2）
因此，这是2×2合并的一种非常基本的解释方式。为了帮助解释，下面图（3）是一个示例，说明如何在16个像素的情况下进行2×2合并。它们变成了4个超级像素，同时仍然保持着与未被合并时的对应电子等效的电子数量。

图（3）

总结：什么是像素合并（Binning）

1.合并相邻像素，最常见的是正方形网格（2×2、3×3、4×4）像素2.组合成一个“超级像素” 像素合并可提高SNR，但要以降低分辨率为代价
3.在数字化之后，CMOS像素合并（binning）在软件中进行
4.在数字化之前，CCD像素合并（binning）在芯片上进行

CMOS和CCD像素合并有何不同？
像素合并的主要原因之一是检测微弱信号。通常将检测极限定义为信噪比（SNR）为1的点，这意味着信号等于噪声。在信号微弱的情况下，噪声只是相机的读取噪声。因此，如果我们获得3个电子（e-）的读取噪声和3e-的信号，则SNR为1，该物体几乎可以被检测到。

CCD技术允许在从传感器读取像素之前在模拟域中合并像素。所以以上面2×2超级像素的示例为例，它将具有来自所有4个单独像素的信号;4x3e- = 12e-。若我们仍然只有3e-的读取噪声时，当读取一次超级像素时，信噪比（SNR）就是12/3=4，换言之，是原来的4倍。

CMOS技术的不同之处在于，像素在被读出之前不能合并成超级像素。我们所能做的是在计算机上读出这些像素后，用数学方法把它们合并。每个超级像素再次从其先前的单个像素接收信号值，但是由于这是在像素被读出之后发生的，因此读取噪声也会增加。然而，读取噪声的增长率低于信号的速率，从而提高了信噪比。我们来看看它背后的一些数学知识。

还是上面的示例，信号仍然是4x3e- = 12e-。但是，各个像素已经被数字化，并且每个像素都有3e读取噪声。如前所述，图像中的噪声不会作为正态相加而累积，而是遵循统计分布，即所添加像素数的平方根。因此，在这种情况下，我们的CMOS超级像素的噪声为3e-x4 / sqr4 = 6e-。因此，现在我们的SNR为12/6 = 2，是不进行合并处理时的两倍，但不如CCD技术那么好。随着合并量（3×3、4×4等）的增加，CCD和CMOS中信噪比之间的差异也将加大。

总结

CCD像素合并（Binning）是一种非常强大的技术，可以提高灵敏度，但会降低分辨率。应用程序如下：

1.短时间曝光以查找对象是否在图片中居中
2.在LRGB成像中捕获RGB数据
3.将相机与长焦距望远镜匹配
4.指导性
5.成像微弱的物体
像素合并（Binning）在CMOS相机中效果较差。CMOS传感器的读取噪声往往会低于CCD，这使像素合并的水平降低，但随着合并在一起的像素数量增加，它实际上包含了每个像素的读取噪声。其他处理技术（例如降噪，调整大小和重新采样）可能更擅长于从CMOS数据中提取最佳信号。
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