嵌入式视觉系统的概念及关键因素

图像中的时间）收集较少的电荷。如果像素间距较小，意味着捕捉图像需要更长的积分时间，这会影响传感器捕捉快速移动图像的能力，并降低低光拍照性能。

确定传感器格式后，我们必须考虑使用哪种技术，CCD、CMOS 还是更为专业的技术。这里的重要参数是量子效率 (QE)；该参数是器件通过光子产生电子的效率。通常，我们希望在有用光谱上实现尽可能高的 QE，这对于低光应用也具有重要意义。影响器件 QE 的因素有三个：吸收、反射和透射。QE 降低的一个主因是器件结构。器件结构可能导致像素被传感器中的电路屏蔽，例如金属线或多晶硅栅极电路等。这些结构会吸收或反射光子，从而降低 QE，因此要选好传感器。

●　前照式 — 对于这类器件，光子以上面的介绍的传统方式照射器件的前面，像素可能被遮蔽，QE 相应降低。

●　背照式 — 这些器件经过后期处理，将器件的后部削薄，以便在后面接收光照，从而不受其他设计元件的阻挡。薄型背照式器件能实现最佳 QE。

我们还必须考虑图像传感器中所允许的噪声；有三个主要方面需要考虑。

●　器件噪声 — 这在本质上讲是暂时的，包括散射噪声以及输出放大器和复位电路产生的噪声。

●　固定图形噪声(FPN) — 呈空间分布，由相同光照强度下像素的不同响应引起。FPN 通常由每个像素的不同偏移和增益响应引起；偏移部分通常称为暗信号响应非均匀性 (DSNU)，增益部分称为图像响应非均匀性 (PRNU)。有多种方法可以补偿 FPN，最常见的方法是输出信号的相关双采样法。

●　暗电流 — 这由图像传感器中的热噪声引起，甚至在无光照情况下也会出现。暗信号对最终图像质量的影响取决于帧速率；较高帧速率下影响不大，然而，随着帧速率降低（如科研应用）影响会很明显。由于暗电流与温度有关，因此在需要降低暗电流的情况下，通常做法是利用冷却器件（例如 PelTIer)来降低成像器件的工作温度。

理解了成像器的噪声模式后，我们就能确定能实现多大的信噪比 (SNR)。

确定器件的噪声性能后，就可以确定图像传感器所需的动态范围。动态范围代表传感器捕获光照强度范围较大的图像的能力，单位是 dB 或以比率形式给出。这意味着图像同时包含高照度区和暗区。

传感器的实际动态范围由像素的满井容量决定，也就是像素饱和前所能承载的电子数量。将容量除以读出噪声，能方便地将比率转换为以 dB 为单位的值。

通常利用光子转换曲线测试法来确定动态范围，画出噪声与容量的关系曲线。

如果器件具有数字输出，可通过下面的公式利用输出端比特数计算该值。

然而，这并不能确保器件可以实现这样的动态范围；只是说明总线宽度所能代表的潜在范围，而没有考虑传感器性能因素。

IO 标准也很重要，不仅用来输出像素数据，还用来输出命令和控制接口。这与帧速率有关，例如 LVCMOS 接口不适合高帧速率应用，但可用于简单的监控摄像头。随着帧速率、分辨率和每像素比特数的增加，成像器件的趋势正朝着采用 LVDS 系列或 SERDES 技术的专用高速串行链路发展。

现在我们已经介绍了图像传感器的多个重要方面，另一个尚未考虑的因素是成像器是彩色还是单色传感器。无论选择哪种，都取决于应用场合。

●　彩色传感器 — 需要在每个像素上使用贝尔图形，在一条线上交替变换红色和绿色，下一条线上交替蓝色和绿色（绿色用得多是因为人眼对绿颜色波长更敏感)。这意味着要对接收到的光子进行滤波处理，使每个像素只接收具有所需波长的光子。我们可对图像进行后处理，用不同颜色围绕像素以重构每个像素上的颜色，从而确定像素颜色，而且不会降低图像分辨率。彩色传感器会使重构和输出图像所需的图像处理链变得复杂化。贝尔图形确实会导致分辨率降低，但是没有想象的那么差，通常降幅为 20%。

●　单色 — 由于图像阵列上没有贝尔图形，因此每个像素能接收所有光子。这样可增大图像灵敏度，使图像的读出更简单，因为不存在颜色重建所需的去马赛克效应。

经选择我们决定使用 CIS 器件，而实际上这些属于复杂的专用片上系统。因此，我们还必须考虑以下关于读出模式和积分时间的问题。

●　积分时间 — 这是读出之前像素的曝光时间。在比较简单的 CCD 系统上，需要接近电子装置在器件外执行该时序。然而对于 CIS 器件，积分时间可通过命令接口由寄存器来配置，然后 CIS 器件针对常用的两种读出模式精确地执行积分时间。

●全局快门模式 — 这种模式下，所有像素同时接受光照，然后读出。此模式下由于所有像素同时