CMOS攝像機(jī)

CMOS 光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓） 信號，信號讀取十分簡單； CCD 圖像傳感器僅能輸出模擬電信號，輸出的電信號還需經(jīng)后續(xù)地址譯碼模數(shù)轉(zhuǎn)化圖像信號處理器處理，需提供3 組不同的電源和同步時(shí)鐘控制電路，集成度非常低。

由于CMOS 圖像傳感器的應(yīng)用，新一代圖像系統(tǒng)的開發(fā)研制已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，并且隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的形成，其生產(chǎn)成本也得到了降低. 高集成單芯片CMOS 圖像傳感器使有關(guān)圖像的應(yīng)用更容易實(shí)現(xiàn). 增加和改善了許多功能，如自動增益控制、自動曝光控制、伽瑪校正、背景補(bǔ)償和自動黑點(diǎn)校正. 所有的彩色矩陣處理功能都被集成在芯片上. CMOS 集成度高，將會在功耗、大小、系統(tǒng)及成本上有競爭優(yōu)勢. 帶CMOS 圖像傳感器的手機(jī)價(jià)格低，使用方便，同PC 機(jī)結(jié)合可進(jìn)行編輯，配合高性能的打印機(jī)以及計(jì)算機(jī)上網(wǎng)的普及，市場需求量會快速增長。

CMOS攝像機(jī)成像器件組成

CMOS成像器件工作原理如圖1所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路，而且這兩部分是集成在同一硅片上的。像敏單元陣列實(shí)際上是光電二極管陣列它也有線陣和面陣之分。

圖1所示的像敏單元陣列按H和V方向排列成方陣，方陣中的每一個(gè)像敏單元都有它在H、V各方向上的地址，并可分別由兩個(gè)方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇；每一列像敏單元都對應(yīng)于一個(gè)列放大器，列放大器的輸出信號分別接到由H方向地址譯碼控制器進(jìn)行選擇的模擬多路開關(guān)，并輸出至輸出放大器；輸出放大器的輸出信號送往A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)預(yù)處理電路處理后通過接口電路輸出。圖中的時(shí)序信號發(fā)生器為整個(gè)CMOS圖像傳感器提供各種工作脈沖，這些脈沖均可受控于接口電路發(fā)來的同步控制信號。

CMOS成像器件原理圖

在CMOS圖像傳感器的同一芯片中，還可以設(shè)置其他數(shù)字處理電路。例如，可進(jìn)行自動曝光處理、非均勻性補(bǔ)償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制處理。甚至可將具有運(yùn)算和可編程功能的DSP器件制作在一起，形成具有多種功能的器件。

為了改善CMOS圖像傳感器的性能，在許多實(shí)際的器件結(jié)構(gòu)中，光敏單元常與放大器制作成一體，以提高靈敏度和信噪比。

CMOS攝像機(jī)傳感器工作流程

CMOS圖像傳感器的功能很多，組成也很復(fù)雜。其器件工作原理如圖1 所示，它由像敏單元、行列開關(guān)、地址譯碼器和A/D轉(zhuǎn)換器等許多部分組成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。這就需要使諸多的組成部分按一定的程序工作，以便協(xié)調(diào)各組成部分的工作。為了實(shí)施工作流程，還要設(shè)置時(shí)序脈沖，利用它的時(shí)序關(guān)系去控制各部分的運(yùn)行次序，用它的電平或前后沿信號去適應(yīng)各組成部分的電氣性能。CMOS圖像傳感器的典型工作流程如圖2 所示。

CMOS攝像機(jī)成像模塊

在了解CMOS圖像處理器成像原理之前，我們先來看看CCD與CMOS之間的一個(gè)對比，以更好了解CMOS圖像處理器。相比于CCD，CMOS的優(yōu)點(diǎn)由于：

1） 設(shè)計(jì)單一感光器感光器連接放大器

2） 靈敏度同樣面積下高感光開口小，靈敏度低

3） 成本線路品質(zhì)影響程度高，成本高CMOS整合集成，成本低

4） 解析度連接復(fù)雜度低，解析度高低，新技術(shù)高

5）噪點(diǎn)比單一放大，噪點(diǎn)低百萬放大，噪點(diǎn)高

6） 功耗比需外加電壓，功耗高直接放大，功耗低

由于構(gòu)造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料。圖3為CMOS成像模塊示意圖。

CMOS攝像機(jī)線性插值

為什么需要線性插值呢？我們先來看看CMOS圖像處理器的排列：

由于制作工藝的問題，CMOS感應(yīng)R 或G或B一種顏色，這就是貝葉爾格式的數(shù)據(jù)（如圖4所示）。它必須經(jīng)過插值運(yùn)算才能得到每個(gè)像素的RGB值。

由圖4可以看出，每個(gè)像素點(diǎn)都有8個(gè)相鄰的像素點(diǎn)，而且這8個(gè)像素點(diǎn)的顏色分量與此像素點(diǎn)不同。插值算法就是依據(jù)相鄰的像素點(diǎn)的顏色值的空間相關(guān)性原理進(jìn)行的。其處理方法如下：

a. 只有R顏色分量的像素點(diǎn)，其G顏色分量由周圍4個(gè)G的平均值計(jì)算得出。B顏色分量由周圍4個(gè)B的平均值計(jì)算得出。

b. 只有B顏色分量的像素點(diǎn)，其R顏色分量由周圍4個(gè)R的平均值計(jì)算得出，G顏色分量由周圍4個(gè)G平均值計(jì)算得出。

c. 只有G顏色分量的像素點(diǎn)，其R顏色分量由上下2個(gè)R的平均值計(jì)算得出，B顏色分量由左右2個(gè)B平均值計(jì)算得出。

CMOS攝像機(jī)白平衡

任何物體在不同的光線下具有不同的色溫。所謂色溫，簡而言之，就是定量地以開爾文溫度表示色彩。色溫越高，物體的藍(lán)色分量就越多；色溫越低，物體的紅色分量就越多。由于人眼具有自調(diào)節(jié)性，所以即使物體色溫不同，也能正確識別出顏色。但是CMOS圖像傳感器沒有自調(diào)節(jié)性，所以當(dāng)在戶外日光下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會因?yàn)樯珳馗叨{(lán)。而在室內(nèi)的熒光燈下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會因?yàn)樯珳氐投t。要得到正確的顏色，必須進(jìn)行白平衡。白平衡的基本原理是調(diào)整顏色的色溫，使其保持在一個(gè)特定的范圍內(nèi)。

因?yàn)槿搜勰芸吹?Lux照度（滿月的夜晚）以下的目標(biāo)，CMOS傳感器通常能看到比人眼略好在0.1~3Lux，是CCD傳感器感光度的3到10倍。

更多：

CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內(nèi)，CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音，固定的圖案噪音始終停留在屏幕上好像那就是一個(gè)圖案，因?yàn)镃MOS傳感器在10Lux以下基本沒用，因此大量應(yīng)用的所有攝像機(jī)都是用了CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于非常低端的家庭安全方面。

有2個(gè)例外，CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，CMOS傳感器非常快速，比CCD傳感器要快10到100倍，因此非常適用于特殊應(yīng)用如high ens DSC camera (Cannon D-30）或者高幀攝像機(jī)。

CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，可以使攝像機(jī)變得簡單并易于攜帶，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。

CMOS攝像機(jī)盡管耗能同樣或者高于CCD攝像機(jī)，但是CMOS傳感器使用很少的圓環(huán)如CDS,TG和DSP環(huán)，所以同樣尺寸的總能量消耗比CCD攝像機(jī)減少了1/2到1/4。

一般CCD攝像機(jī)的消耗12伏特/150到300毫安，因此比CMOS的5到12伏特和35到70毫安高出了2到4倍。

有趣的是，盡管CCD表示“電荷耦合器件”而CMOS表示“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，但是不論CCD或者CMOS對于圖像感應(yīng)都沒有用，真正感應(yīng)的傳感器稱做“圖像半導(dǎo)體”，CCD和CMOS傳感器（暫且如此稱呼）實(shí)際使用的都是同一種傳感器“圖像半導(dǎo)體”，圖像半導(dǎo)體是一個(gè)P N結(jié)合半導(dǎo)體，能夠轉(zhuǎn)換光線的光子爆炸結(jié)合處成為成比例數(shù)量的電子。電子的數(shù)量被計(jì)算信號的電壓，光線進(jìn)入圖像半導(dǎo)體得越多，電子產(chǎn)生的也越多，從傳感器輸出的電壓也越高。

CCD稱為“電荷耦合器件” ，CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲存起來的方法。

CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒有更多的含義。傳感器被稱為CMOS傳感器只是為了區(qū)別于CCD傳感器，與傳感器處理影像的真正方法無關(guān)。

CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號，因此就非?？?。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對于高幀攝像機(jī)非常有用，高幀速度能達(dá)到400到2000幀/秒。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對于眺望高速移動的物體非常有用，然而由于沒有高速的數(shù)字訊號處理器，所以市場上只有很少的高速攝像機(jī)并一般價(jià)格都非常高。

1、攝像機(jī)芯片：CMOS30W像素

2、壓縮格式：M-JPEG

3、紅外距離：≤15米

4、工作電源：DC12V,最大工作電流500mA

5、最大水平轉(zhuǎn)角：355°，最小水平轉(zhuǎn)角：20°。

6、垂直轉(zhuǎn)角：0°—90°。

7、轉(zhuǎn)速：水平約12°/S，垂直約12°/S。

8、最大載荷：0.5KG。

9、基本功能：上、下、左、右、自動旋轉(zhuǎn)。

10、使用環(huán)境：室內(nèi)。

11、使用環(huán)境溫度：-10℃-50℃。

12、帶彩色/夜視

CMOS攝像機(jī)圖片壓縮

為了有效地進(jìn)行圖像信息的傳輸或儲存，減少描述圖像的數(shù)據(jù)量是一件非常重要的工作。在Windows系統(tǒng)中，我們常見的bmp圖片文件（bitmap file）是位圖圖片。位圖圖片的文件大小一般都是最大的，不便于存儲和傳輸，所以后來才出現(xiàn)了一些"壓縮"格式圖片，如：gif、tiff、jpeg、png等圖片文件。

圖片"壓縮"分為"有損壓縮"（如jpeg圖片）和"無損壓縮"：（如tiff圖片）

什么是位圖"para" label-module="para">

BMCP 采用無損壓縮方法對圖片進(jìn)行壓縮的，其處理流程大概如下：對一幅位圖的所有象素點(diǎn)進(jìn)行掃描，取出所有像素點(diǎn)的顏色構(gòu)造顏色表，并且記錄這些像素點(diǎn)的顏色在顏色表中的索引位置，然后再對這些索引位置記錄進(jìn)行壓縮后再存儲數(shù)據(jù)，也就是存儲的時(shí)候像素點(diǎn)位置只存儲索引而不存儲顏色。我們都知道一張圖按行列掃描時(shí)某個(gè)點(diǎn)的顏色在它后面連續(xù)同時(shí)出現(xiàn)的機(jī)率是很大的，所以我們的壓縮就在這里了。簡單的壓縮原理用偽代碼表示如下：

color = 圖片的第一點(diǎn)像素點(diǎn)顏色；

while（圖片的像素點(diǎn)沒有掃描完）

newColor = 獲取當(dāng)前像素點(diǎn)的顏色；

if(newColor == color)

{

color的出現(xiàn)次數(shù) 1;

}else{

存儲color;

color = newColor;

}

}

這樣壓縮后，我們就可以將一些連續(xù)出現(xiàn)的顏色點(diǎn)壓縮為一個(gè)顏色點(diǎn)了。例如有下面的字符數(shù)據(jù)：

abceefaccccch

經(jīng)我們壓縮后就可以變?yōu)槿缦聰?shù)據(jù)了：

a1b1c1e2f1a1c5h1

（注：字符后面的數(shù)字表示其連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)）

l BMCP 的顏色索引值的存儲

我們大家都知道在bmcp里是存儲顏色索引值的，而大家也知道在C#里的int/uint是占用4個(gè)字節(jié)空間的，所以我們存儲象素顏色索引時(shí)肯定盡量避免存儲為int/uint值！

在bmcp里顏色索引值的存儲大小是根據(jù)顏色表的數(shù)量來決定的。當(dāng)顏色表的顏色數(shù)量小于255個(gè)時(shí)索引占用的空間就只占用1個(gè)字節(jié)；而顏色表的數(shù)量小于ushort值范圍時(shí)索引占用的空間就是2個(gè)字節(jié)；而如果顏色表數(shù)量小于ushort. MaxValue*255時(shí)就索引就占用3個(gè)字節(jié)（前2個(gè)字節(jié)存儲的是“值/255”的整數(shù)部分，而后1個(gè)字節(jié)則存儲的是“值%5”）；否則就只能使用4個(gè)字節(jié)存儲索引。

在上面的壓縮計(jì)算中，我們還要存儲一個(gè)“顏色連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)”值，這個(gè)值的大小在bmcp里是占用1個(gè)字節(jié)的，也就是說計(jì)算某顏色重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)時(shí)值最多只能記錄到255次，如果還繼續(xù)出現(xiàn)同一個(gè)顏色，則重新記錄顏色！為什么要這樣做呢？這是為了減少占用空間所做的，在很多圖片中，不連續(xù)出現(xiàn)相同顏色的位置所占的比率也是很大的，而連續(xù)出現(xiàn)同一種顏色超出255次的地方則是少之又少。

l BMCP 的文件格式

BMP是一種與硬件設(shè)備無關(guān)的圖像文件格式，使用非常廣。它采用位映射存儲格式，除了圖像深度可選以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP文件所占用的空間較大。BMP文件的圖像深度可選lbit、4bit、8bit及24bit。BMP文件存儲數(shù)據(jù)時(shí)，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。典型的BMP圖像文件由三部分組成：位圖文件頭結(jié)構(gòu)（BITMAPFILEHEADER），它包含BMP圖像文件的類型、顯示內(nèi)容等信息；位圖信息頭結(jié)構(gòu)（BITMAPINFOHEADER），它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等信息；位圖調(diào)色板。

CMOS攝像機(jī)位圖結(jié)構(gòu)

l 位圖文件頭結(jié)構(gòu)

BITMAPFILEHEADER中，bfTabe是標(biāo)識數(shù)據(jù)，內(nèi)容為固定值“BM”，用于標(biāo)識文件格式為BMP文件。

bfSize的數(shù)據(jù)地址為2，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，表示位圖文件的大小。

bfReserved1和bfReserved2的數(shù)據(jù)地址分別為6和8，數(shù)據(jù)類型為unsigned int，是BMP文件的保留字，其值為0，暫無意義。

bfOffBits的數(shù)據(jù)地址為10，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，以字節(jié)為單位，指示圖像數(shù)據(jù)在文件內(nèi)的起始地址，即圖像距文件頭的偏移量。

l 位圖信息頭結(jié)構(gòu)

BITMAPINFOHEADER中，biSize的數(shù)據(jù)地址為14，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，以字節(jié)為單位，指定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BITMAPINFOHEADER所占用的存儲容量，固定值為40。

biWidth和biHeigth的數(shù)據(jù)地址分別為18和22，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，均以像素為單位，給出該BMP文件所描述位圖的寬度和高度。若biHeigth取值為正數(shù)，則表明位圖為bottom_up類型的DIB位圖，位圖的原點(diǎn)為左下角。若biHeigth取值為負(fù)數(shù)，則表明位圖為top_down類型的DIB位圖，位圖的原點(diǎn)為左上角。一般情況下，取值為正數(shù)。

biPlanes數(shù)據(jù)地址為26，數(shù)據(jù)類型為unsigned int，表示目標(biāo)設(shè)備平面數(shù)，必須置為1.

biBitCount的數(shù)據(jù)地址為28，數(shù)據(jù)類型為unsigned int，確定每個(gè)像素所需要的位數(shù)，即量化級數(shù)。

biCompression的數(shù)據(jù)地址為30，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，表示bottom_up類型位圖的壓縮類型。值得注意的是，BMP文件格式對索引色圖像及真彩色圖像不做任何數(shù)據(jù)壓縮。biSizeImage的數(shù)據(jù)地址為34，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，以字節(jié)為單位，表示圖像數(shù)據(jù)占用的空間大小。

biXperlsPerMeter和biYperlsPerMeter的數(shù)據(jù)地址為38和42，數(shù)據(jù)類型為unsignedlong，以每米像素?cái)?shù)為單位，給出位圖目標(biāo)設(shè)備水平垂直的分辨率。

biClrUsed的數(shù)據(jù)地址是46，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，給出位圖實(shí)際使用的顏色表中的顏色變址數(shù)。

biClrImperant的數(shù)據(jù)地址為50，數(shù)據(jù)類型為unsigned long，給出位圖顯示過程中重要顏色的變址數(shù)。若取值為0，表示所有使用的顏色都是重要顏色。

l 位圖調(diào)色板

RGBQUAD結(jié)構(gòu)體由4個(gè)字節(jié)型數(shù)據(jù)組成，因此一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)體只占用4字節(jié)空間，從左到右每個(gè)字節(jié)依次表示（藍(lán)色，綠色，紅色，保留字）。

我們很清晰的了解到BMCP是如何做到壓縮位圖文件的。

1） 只存儲每個(gè)象素點(diǎn)顏色索引值

2） 將連續(xù)出現(xiàn)相同顏色的多個(gè)象素點(diǎn)壓縮為一個(gè)“象素點(diǎn)”

CMOS板機(jī)主要是優(yōu)勢的價(jià)格比較便宜，圖像傳播速度快，由于近期的大力改善，現(xiàn)在CMOS的圖像清晰度已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，已經(jīng)超越了CCD傳感器的清晰度，發(fā)展到盡頭逐漸以清晰度高，價(jià)格便宜而得到市場一致認(rèn)可。

另一方面CMOS板機(jī)因外圍元器件少，電路簡單，穩(wěn)定性也有很大優(yōu)勢，方便了很多工廠獨(dú)立自產(chǎn)CMOS板機(jī)。

專家們認(rèn)為，21世紀(jì)初全球CMOS圖像傳感器市場將在PC攝像機(jī)、移動通信市場、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)市場市場等領(lǐng)域獲得大幅度增長，在未來的幾年時(shí)間內(nèi)，在130 萬像素至200萬像素之下的產(chǎn)品中，將開始以CMOS傳感器為主流。以小型化和低功耗CMOS圖像傳感器為核心的攝像機(jī)正在成為消費(fèi)類產(chǎn)品的主流，上述領(lǐng)域?qū)閳D像傳感器市場帶來巨大發(fā)展。