数字相机传感器在软件工程专业导论中的发展与应用

1961年,美国喷气推进实验室的Eugene F.Lally设想如何使用光电传感器捕捉数字图像,这样宇航员就能把穿越太空时拍摄行星和恒星的照片实时传输回地球。

光电传感器的目的是把图像转化为数字信号。有两种类型的数字图像传感器:CCD 传感器和CMOS传感器。

电荷耦合器件(CCD,Charge-Coupled Device)图像传感器广泛用于需要高质量图像数据的专业,如医学和科学应用中。

在CCD 图像传感器中,像素由P(磷元素)掺杂金属氧化物的半导体(MOS)电容器代表。当开始图像采集时,图像通过透镜投射到电容器阵列(光活性区域)上,使每个电容器累积与该位置的光强度成比例的电荷,如图7-5(a)所示。

控制电路把每个电容器电荷传送到移位寄存器。阵列中的最后一个电容器将其电荷存储到电荷放大器中,电荷放大器将电荷转换为电压。重复该过程,控制电路将半导体中阵列的全部内容转换为电压。然后对这些电压进行采样,并存储在存储器中。

线型扫描相机使用一维阵列捕获图像的单个切片,如图7-5(b)所示,而在视频和静止相机中使用的二维阵列捕获与投影到焦平面上的场景相对应的二维图像。

图7-5 CCD 基本原理(www.xing528.com)

CMOS像素传感器包括光电探测器(光电二极管)、浮动扩散晶体管、传输门晶体管、复位门晶体管,选择栅极和源跟随器读出晶体管——即所谓的4T(Transistor)单元。3T 方案制造更简单,如图7-6(a)所示。

复位晶体管Mrst是一个开关,按下此开关,光电二极管连接到电源VDD,清除所有沉积的电荷。晶体管Msf读出二极管上积累的电荷量,测出像素电压。当有行选信号时,晶体管Msel读取该行的一个像素,该像素对应于某一列。

1995年,美国喷气推进实验室研制出128×128像素的CMOS,之后,单位面积上的像素越来越密集,形成了如图7-6(b)所示的图像传感器。图7-6(c)是数码相机的组成。一个数字相机是一个专业的计算机,按动快门的瞬间,图像传感器将图像转换为二维数字阵列,CPU 负责将其先存储到内存,然后,再存到外存(卡)上。之后,我们可以回放(浏览),以及用(相机内的)软件对图像进行加工。如果相机中的CPU 够快和内存够大,就可以在拍照的同时,进行实时处理,例如,美颜、修图等。

图7-6 数字相机传感器电路和组成

2010年以来,因为CMOS传感器成本低,开始替代CCD 传感器,已成为手机相机、网络相机、数字袖珍相机等的主要传感器。