CCD与CMOS应用基础Word格式文档下载.docx
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体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，噪声较明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。
CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器。
每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。
在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：
2：
1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。
而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的R、G、B、E四色方案。
在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。
在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。
由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；
但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。
CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。
深度解析ccd
什么在影响着ccd的画质？
一是ccd的噪声，二是系统差，三是ccd的分辨率。
****先说噪声*****
ccd的噪声比较复杂，以前我们用ccd拍照之前一定要做两种图象，一种是本底，一种是暗场。
***什么是本底？
****简单说，ccd两端一加电压，还没积分时间，也没露光，但势阱中就已经有电荷了。
如果这时候把这些电荷AD转换后读出，就发现图象存在一个“固有的”底层图象，这个需要先拍，然后扣除。
如果有些点一直有大量的残余电荷，无法清空的话，就是我们常见的亮点啦！
本底受ccd工艺以及环境温度的影响，现在ccd的本底已经比较小了，但对画质一样有影响。
***什么是暗场？
****又叫暗流，简单说，就是不开快门，但给ccd一直加压，产生的热电子。
每个象素的热电子都在累积，如果这个象素点比较异常，热电子累积得非常快，那就成了我们见到的噪点。
暗场随着曝光时间的增加而增加，在开始是线性的，到一定时期后变成非线性。
因此拍照片后需要关闭快门，积分和前一次曝光一样时间的“暗场”，然后再扣除。
dc真有这么干的？
？
当然有，这里一些老手肯定记得暗场降噪这个功能。
老minonta，老nikon长曝光的，都用的是这个技术。
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以上两个都是可以扣除的仪器噪声。
但也有一些是难以扣除的。
举个例子，读出噪声，还有随机噪声。
所谓读出噪声，这个比较神奇，核心意思是，噪声和ccd读出速度有关，也和增益（dc中的iso）有关。
1先说读出速度，读出越快，噪声越大。
别老抱怨dc的读出慢，dc当然可以快读出，但会增加噪声，这里有意思了：
dc的连拍模式和单张模式，出来照片的噪声一样么？
理论上说是不一样的。
2再说增益（iso）的影响。
在固定曝光时间，固定场景，固定光圈的情况下，ccd受到的光照强度不会改变，因此提高增益（iso）就是单纯地放大信号，在放大信号的同时也放大了噪声，这就是高iso噪声大的原因。
但每一档增益
为何有不同的噪声水平？
而且变化规律并不严格按照增益的变化？
因为这种放大不是数字放大，而用的是放大电路，因此噪声水平一般比数字放大要低一点。
这就涉及到一个我们熟悉的事情：
在夜里，用iso100，拍1/4秒，然后后期调亮度；
或者用iso400，拍1/16秒，不调整亮度，哪个好？
理论上是后者稍好。
所谓随机噪声，这个是采样的问题，通过多次采样压低噪声是非常常用的手法。
我以前写过一个：
DC拍出单反的画质（之一），说的就是这个事情。
顺便说下，之二，之三怎么没有了？
因为之一出来之后发现虽然有效，但使用的条件限制有些多，之二之三是一些细化，比如如何做本底和暗场来压低噪声？
比较麻烦，而且效果没有“之一”显著，我就不写了。
玩dc的很少有苛求画质的，对吧。
***说说系统差***
ccd都不是均匀的，ccd每个象素的感光能力都不一样，谁的ccd没有尘埃？
谁的滤镜能保证完全均匀？
有人问，你别扯这个，这么点区别谁看得见？
告诉你怎么看ccd上面的不均匀：
拍平场！
何谓平场？
平场是ccd系统差最主要的一种，当我们对一个均匀的光源正常曝光之后，得到的就是平场。
注意，这里的正常曝光和我们日常拍照片说的充足曝光不是一回事。
正常曝光是指在ccd线性范围内的曝光，经验来说，是ccd满阱电荷的1/5到1/2这个区间所对应的曝光时间。
日常拍摄时可以用减曝光-3档或-2档就可以拍出。
常用拍摄办法有两种，一种是在天气晴朗的傍晚，把焦距拉到最长，对焦到最近，减2档拍天空
另一种是用一张白纸，靠近约10cm，焦距拉到最长，对焦到无穷远，减2档拍白纸。
拍完了以后拿到电脑上看，哇.......选相机的时候，除了拍全黑图,还应该拍一张这个.....
在拍摄照片后除平场会让那些讨厌的尘埃、亮点消失，科研上都这么用，但民间都用ps。
（科研可不让ps...）
***说说分辨率**
这个不多说，大家都知道，象素稀疏，画质好，细节少；
象素密，画质差，细节多。
不过大家千万别一直盯着ccd的面积和象素，即使是等面积等象素的ccd，pixl的大小也会不同。
一般来说，ccd的单个象素大小有好几种规格，比如4纳米，7纳米，12纳米，15纳米，25纳米等，而且像素点之间还有空隙，不信可以算算看：
）
因此决定画质的好坏应该是单个象素的大小，以及象素间距离。
但这个数据是工业数据，一般不会公布的。
深入说说ccd的参数
现在越来越多的人开始关注到ccd的参数，张口闭口像素高低，pixl密度，尺寸大小，有不少人凭着直观的感受来理解ccd，于是说，高像素的细节好，大尺寸低像素的画质好，等等...诚然，这里理解有一定道理，但不管怎么说都是感性理解，其实ccd并不完全是大多数人想象的那样。
什么参数对于ccd是最重要的？
不好说，我们只能来一个个看。
1ccd像素数：
在ccd以前，光电设备只有那些光电管可以用，但光电管不能成像，只能感受点光源。
直到ccd这种阵列式的设备出现才可用于成像。
ccd像素数一路飙升，并且有理由继续升下去，ccd的像素数反映了工艺水平的提升，千万别说“提高了两百万像素，没有实质的提升！
”这种话了。
2ccd尺寸
ccd尺寸一直比较复杂，分为四个阵营：
第一，1inch为标准的ccd，对角线大概16mm，衍生出1/3，1/2.5，1/1.8等一系列小型芯片。
第二，按照照相画幅的比例出现的，aps，全幅芯片，4*5芯片等
第三，科研用ccd，如15mmX15mm，ccd是方形的
第四，特殊ccd，这个以后讲
3像素大小
ccd的像素点大小很重要，一定程度上反映了ccd接受信号的能力，但不是绝对。
以下是sbig的几款ccd相机的参数：
ST-7XMEStandard765x5109u6.9x4.6mm
ST-7XMEDeluxe765x5109u6.9x4.6mm
ST-8XME1530x10209u13.8x9.2mm
ST-9XE512x51220u10.2x10.2mm
ST-10XME2184x14726.8u14.7x10mm
ST-2000XM1600x12007.4u11.8x8.9mm
ST-2000XCM（color）1600x12007.4u11.8x8.9mm
ST-4000XCM（color）2048x20487.4u15.2x15.2mm
可以看到像素数（第二列）、pixl大小（第三列），ccd尺寸（第四列）的关系
4ccd的量子效率
这个东西熟悉的人不多，我在论坛中提到几次QE，但没人回应...QE是啥，简单就是说，来的光是10，ccd输出的是8，那么QE就是80%。
胶片的QE很低，和ccd没有可比性。
这也是我主张放弃胶片的原因之一。
ccd的QE随着发展而不断提高，决定着ccd的根本画质，为何同样是1/2.5，500w的ccd，现在的画质要优于以前？
其中一个原因就是QE高了。
以下这张图是sbig公司提供的一张QE曲线，我们只看最高点就可以了，这个最高点就是该ccd的QE。
对于像素尺寸小的ccd，提高QE会提升画质，下面这张图是apogee公司的一个ccd的QE曲线，可以看到QE只有70%，但这个ccd的像素大小却是12u，要大于上面提到那个sbig的ccd（9u）。
所以说pixl的大小不能决定画质。
5满阱电荷
满阱电荷，反映了ccd容纳电荷的能力，不是有人说像素的大小好比下雨时接水用盆的大小么？
那么满井电荷就是盆的容积。
满井电荷越多，信噪比越高，画质也越好。
一般满井电荷大概10万。
6AD转换
有了电荷，当然还有转为信号，原来十几万个电子，转成信号也就是从0到65536，这个过程也产生噪声。
7CCD的线性
线性好，ccd就好，现在科研级ccd的线性区域可以达到满井电荷的80%也就是说，在0到65536这个范围中，从1000到50000都可认为是线性的。
试验科学家们高兴啊，正是因为ccd线性好，数据才能很好地定标，可是摄影爱好者不高兴，因为正是在高光时的非线性部分保留了所谓的“高光细节”，想来，说胶片细节丰富，宽容度大，在一定程度上也说明了胶片的线性非常差。
所以试验科学家义无反顾地抛弃了胶片。
8读出速度和噪声
9增益
10暗噪声和本底
后三个不多说了，上一篇文章中有提到。
读出噪声、暗噪声的水平随着工艺的提高在逐渐减少，我用过一个老ccd，本底达到1000，而近年的ccd，本底只有100多...太牛了。
工业相机类型简介
一、工业相机类型简介
CCD是60年代末期由贝尔试验室发明。
开始作为一种新型的PC存储电路，很快CCD具有许多其他潜在的应用，包括信号和图像（硅的光敏性）处理。
CCD是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能，在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件，被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。
总结下来，CCD主要有以下几种类型：
1、面阵CCD：
允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。
2、线阵CCD：
用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。
初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。
3、三线传感器CCD：
在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。
三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。
4、交织传输CCD：
这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。
交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。
5、全幅面CCD：
此种CCD具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。
全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。
全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。
图像投摄到作投影幕的并行阵列上。
此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。
这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。
此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。
接着，系统进行精确的图像重组。
二、工业相机参数简介
工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。
选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。
主要参数
1.分辨率（Resolution）：
相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于数字相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。
2.像素深度（PixelDepth）：
即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等。
3.最大帧率（FrameRate）/行频（LineRate）：
相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对于线阵相机机为每秒采集的行数（Hz）。
4.曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：
对于线阵相机机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；
面阵相机机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机机一般都提供外触发采图的功能。
快门速度一般可到10微秒，高速相机机还可以更快。
5.像元尺寸（PixelSize）：
像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。
目前数字相机机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
6.光谱响应特性（SpectralRange）：
是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm，一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。
CCD与CMOS的对比
数码相机的发展真可谓一日千里，近来各种新的感光技术纷纷涌现。
很多数码相机生产厂商大肆宣扬自己的产品像素有多少多少高，画质怎么怎么好。
顾客在选购数码相机时也比较困惑，心里没底。
为了让大家对目前市场上常见的三种数码相机感光芯片--CCD、CCD、CMOS有一个大概的了解，我们对这三种感光元件做了个总结，欢迎各位读者和我们进行探讨。
大部分数码相机使用的感光元件是CCD（ChagreCouledDevice），它的中文名字叫电荷耦合器，是一种特殊的半导体材料。
他是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。
光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。
当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上，模拟电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片诞生了。
然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。
线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。
这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。
因此在很多场合不适用，不在今天我们讨论的范围里。
另一种是矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一次同时曝光。
通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。
一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。
典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。
这两种排列方式成像的原理都是一样的。
在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。
该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常快。
这就是大多数数码相机CCD的成像原理。
因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。
另一种处理方法是使用三棱镜，他将从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光。
这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。
如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光。
也就是可以做到同点合成，因此拍摄的照片清晰度相当高。
该方法的主要困难在于其中包含的数据太多。
在你照下一张照片前，必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。
因此这类相机对其他部件的要求非常高，其价格自然也非常昂贵。
SUPRECCD是由富士公司独家推出的，它并没有采用常规正方形二极管，而是使用了一种八边形的二极管，像素是以蜂窝状形式排列，并且单位像素的面积要比传统的CCD大。
将像素旋转45度排列的结果是可以缩小对图像拍摄无用的多余空间，光线集中的效率比较高，效率增加之后使感光性、信噪比和动态范围都有所提高。
富士公司宣称，SUPRECCD可以实现相当于ISO800的高感度，信噪比比以往增加30％左右，颜色的再现也大幅改善，电量消耗减少了许多。
富士公司宣称SUPRECCD可与多40%像素的传统CCD的分辨率相媲美，SUPRECCD打破了以往CCD有效像素小于总像素的金科玉律，可以在240万像素的CCD上输出430万像素的画面来。
因此，富士公司和他们的SUPRECCD一推出即在业界引起了广泛的关注。
在传统CCD上为了增加分辨率，大多数数码相机生产厂商对民用级产品采取的办法是不增大CCD尺寸，降低单位像素面积，增加像素密度。
我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。
因此这种方法不能无限制地增大分辨率。
如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图象质量的恶化。
但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图象质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。
但目前更大尺寸CCD加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来。
传统CCD中的每个像素由一个二极管、控制信号路径和电量传输路径组成。
CCD采用蜂窝状的八边二极管，原有的控制信号路径被取消了，只需要一个方向的电量传输路径即可，感光二极管就有更多的空间。
SUPRECCD在排列结构上比普通CCD要紧密，此外像素的利用率较高，也就是说在同一尺寸下，CCD的感光二极管对光线的吸收程度也比较高，使感光度、信噪比和动态范围都有所提高。
为什么SUPRECCD的输出像素会比有效像素高呢？
我们知道CCD对绿色不很敏感，因此是以G－B－R－G来合成。
各个合成的像素点实际上有一部分真实像素点是共用，因此图象质量与理想状态有一定差距，这就是为什么一些高端专业级数码相机使用3CCD分别感受RGB三色光的原因。
而SUPRECCD通过改变像素之间的排列关系，做到了R、G、B像素相当，在合成像素时也是以三个为一组。
因此传统CCD是四个合成一个像素点，其实只要三个就行了，浪费了一个，而SUPRECCD就发现了这一点，只用三个就能合成一个像素点。
也就是说，CCD每4个点合成一个像素，每个点计算4次；
CCD每3个点合成一个像素，每个点也是计算4次，因此CCD像素的利用率较传统CCD高，生成的像素就多了。
这是要以事实来说话的，再有道理的理论没有事实基础还是一句空话。
经过我们反复对富士SUPRECCD的几款民用级数码相机试拍后发现，至少对民用级的CCD来说，在其最大分辨率的图象质量并没有人们想象地那么好。
除了色彩还原比较艳丽外，我们可以在蓝天和暗部细节发现有明显的噪音信号，成像清晰度一般。
这就说明240万像素的民用级CCD无法达到其标称的430万输出像素。
那么240万像素的SUPRECCD到底相当于多少像素的CCD呢？
根据上一段的陈述，我认为SUPRECCD对像素的利用率比CCD高33％，因此其输出像素也应该比CCD高33％。
富士FINEPIX4900的总像素为240万像素，根据我的估算，它的输出像素大概相当于320万（240×
133％＝320万）。
而4900标称的输出尺寸是430万像素，那么这110万像素是怎么多出来的呢？
我想可能是使用了插值技术。
这就可能是为什么我们在以100％的尺寸看CCD拍摄的照片总不是很清楚的原因了。
如果要客观公正地对待使用CCD的FINEPIX4900、FINEPIX4700等相机就应该将其看作一部320万像素的数码相机。
我们对CMOS的认识是从去年佳能公司发布EOSD30的准专业级数码机身开始的。
当时许多业内人士都大吃一惊，对采用这种廉价的材料来做感光元件感到不可思议，认为CMOS的成像质量无法满足较高要求的专业用户的需要。
那用CMOS做
升级会员 