浙江大学硕士学位论文基于CMOS...

浙江大学
硕士学位论文
基于CMOS传感器的显微图像处理技术研究
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：光学工程
指导教师：***
2002.3.1
塑坚查堂堡圭丝塞———————————————』坚
摘要
本论文针对基于ＣＭＯＳ图像传感器的显微图像系统，详细论述了ＣＭＯＳ图像传感器的原理、构造及当前的发展状况，阐述了各种显微图像处理系统的构成和特点，并着重针对基于ＣＭＯＳ图像传感器的显微图像系统的软件处理问题研究了程序结构和编程方法，就如何使用基于ＶＦＷ的视频捕捉．基于ＭＣＩ的视频播放，基于ＤＩＢ的图像操作等给出了应用结果。

本文还针对常规图像处理方法在ＣＭＯＳ图像传感器的显微图像系统中的应用提出了见解。

本论文给出了基于ＣＭＯＳ图像传感器的自行编制的显微图像处理软件的应用结果，并针对目前ＣＭＯＳ图像传感器所存在的一些局限性，提出了在显微图像处理工作中的改进意见和前景展望。

关键词：ＣＭＯＳ图像传感器，显微图像，图像处理
－ＩＩ。

塑坚盔兰塑主丝塞——————』里墅墨垒盟
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＣＭＯＳＩＳ（ＩｍａｇｉｎｇＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒａｍｉｃｒｏｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ
Ｓｅｎｓｏｒ）ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｌｓｏｗｅｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｒｅｃｅｎｔ
ＣＭＯＳＩＳ．Ａｆｔｅｒｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｔｈｅ
ｏｆｍａｎｙｍｉｃｒｏｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ，ｗｅｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
ｋｅｙｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｈｏｗｔｏｃａｐｔｕｒｅｖｉｄｅｏｂａｓｅｄｏｎＶＦＷ，ｈｏｗｔｏｐｌａｙｖｉｄｅｏｂａｓｅｄｏｎＭＣＩａｎｄｈｏｗｔｏｐｒｏｃｅｓｓｉｍａｇｅｓｂａｓｅｄｏｎＤＩＢ．
Ｔｈｅｍｉｃｒｏｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｗｒｉｔｔｅｎｂｙｏｕｒｓｅｌｖｅｓｉｓｇｉｖｅｎｗｉｔｈｔｈｅ
ｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＦａｃｅｄｔｈｅｄｒａｗｂａｃｋｓｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔＣＭＯＳＩＳａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅｎｅｗｉｄｅａｓａｎｄｆｏｒｇｒｏｕｎｄｏｆｔｈｅｓｙｅｔｅｍ．
ＫｅｙＷｏｒｄ：ＣＭＯＳＩｍａｇｉｎｇｓｅｎｓｏｒ，Ｍｉｃｒｏｉｍａｇｅ，Ｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
．ＩＩｌ－
浙江大学硕士论文致谢
致谢
本论文的研究工作是在我的导师徐向东教授的悉心指导和关切下完成的，在学习期间，导师不但在学习和科研上给予了悉心的指导．而且在生活上也给予了无微不至的关怀．
导师渊博的知识、严谨的治学作风和诚恳热情的待人给我留下了深刻的印象。

在完成论文之际，我谨向导师表示衷心的感谢，感谢他几年来对我的关怀与教诲。

衷心感谢陆祖康教授、吴碧珍高级工程师在课题工作中对我的各种帮助和支持，在他们的谆谆教导和亲切关怀下，使我顺利地完成了课题工作。

同时感谢蒋玉琴，黄桂灶、曾超、李锋等同学的帮助和支持。

感谢所有给我帮助的朋友们。

最后我要感激我的父母，感激他们在我成长道路上所付出的心血，感激他们对我工作学习的理解与支持以及二十多年来对我精心的培育和教诲。

郑仙斌
二零零二年三月于求是园
堑坚盔兰堕±堡塞——』二皇—坠
分大很多，采用简单的计数型接口，用适当阈值电压％使放大后的视频信号Ｖ０２数
字化为ｒ（见图中ｃ），在接１：１内实现串一并转换后，送入微机．根据几何光学可
按下式计算被测钢管外径Ｄ：
Ｄ．小Ｐ，肛ｍ尸（多‘１）
式中
ｎ一一被红热钢管的像照亮的位数：Ｐ一一图像传感器的中心距；Ｍ一
一光学倍率：ａ一一物距；ｆ一一镜头Ｌ的焦距。

鞘ＬＩＳ
ｐ。

埸ｋ苎．Ｉ．皂Ｊ渺‰—扯ｖｔ—Ｖｏ
１”
Ｏ”
图１一ｌ热轧钢管外径测量装置示意圈
实际上，任何能够用光学方法成像的零件都可以用这种方法实现不接触尺寸
在线检测，以达到自动控制的目的。

“１
２．光学信息处理：光学文字识别ＯＣＲ（ＯｐｔｉｃＣｈａｒｃｔｅｒＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ），标记
识别ＯＭＲ（ＯｐｔｉｃＭａｒｋＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ），图形识别ＯＰＲ（ＯｐｔｉｃＰａｔｔｅｒｎＲｅｅｏｇＪｎｔｉｏｎ），
传真，摄像，光谱能量检测（光谱分析，测试仪器），光栅信号处理（细分）等等。

图ｌ一２所示就是一个粗线纹光栅精密位移测量系统。

ＬＥＤ光源发出的红外
光经反射镜Ｍ，、物镜厶变为并行光，照明粗线纹反射式光栅尺。

光栅尺反射～
组明暗相问的条纹像，经厶、Ｍ和透镜Ｊ￡：、反射镜鸩后，成像在固体传感器
ｉｓ的光敏面上，得到的信号送到测量系统进行后续的分析处理。

“１
图ｌ一２粗光栅系统
在光学信息处理中，多媒体摄像系统是面阵固体图像传感器应用最广的领域。

－２－
塑坚查兰堡主堡塞————————羔三Ｉ！—丝查包括我们常见的数码相机、数码摄像机、ＰＣＣａｍｅｒａ、视频采集装置等等ａ图１—３是就是这样一种基ｒＣＭＯＳ图像传感器的视频采集系统，使用的固体传感器为ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ的ＯＶ７６１０ＣＭＯＳ彩色数字摄像ＩＣ。

它捕获的视频图像和处理电路不仅具有图像质量高、图像分辨率高、接口电路简单等特点，而且系统成本低、体积小，可做成手持式或便携移动式图像采集设备。

”’
图１—３数字摄像ＩＣ系统结构
３．生产过程自动化：自动工作机械，自动售货机、自动搬运机，监视装置等等。

４．军事应用：导航、跟踪、侦察（带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦察……）。

本文介绍的这种显微图像处理的系统正是固体图像传感器在光学信息方面的应用。

这里所指的显微图像处理技术不仅仅是生物医学工程上的．它也包含了各种不同的生产和研究领域，例如植物的细胞组织分析，光纤断口的质量判断，贴片电容截面观察等等。

显微图像处理技术的研究是一个复杂而系统的过程。

首先，在显微图像的获取上，如何能获得一副高质量的原始图像尤为重要，它为以后的处理打下了坚实的基础。

这不仅对显微镜提出了一定的要求，同时对采集的图像传感器也有较高的要求。

显微镜的倍率高，成像系统中的噪声也大，因而会导致图像质量下降。

显微镜的焦距调节不当，所得到的图像也不能完全反映真实的图像，从而导致有些虚假的细节。

在图像采集上，在目前而青，关键的传感器有两种，即ＣＣＤ和ＣＭＯＳ，如何选择以及所选择传感器的线数、线宽等都会直接影响到所采集的原始图像的质量。

其次，在图像传输上，如何能快速、方便地把无失真原始图像载入到计算机
堑坚查堂堡主笙塞—』塞二里—．！！查中，同时又要兼顾到硬件接口的便捷、可拔插性．当前，计算机主要的外部接口有２种．即串行口和ＵＳＢｔ－Ｉ，此外还有一种是正在兴起的１３９４接口·内部接口上，可以利用ＰＣＩ的插槽，用图像卡采集和传输原始的图像·
最后，我们通过采集到的原始图像，根据各种不同的要求利用编制的软件进行处理和分析，得出我们预期所要达到的一些细节或信息数据．由此可见，要想能做到适应面广的图像处理和良好的分析结果，以上的每一个步骤都非常关键和重要。

１．２课题研究的目的和意义
观察显微世界，比如分子结构、细胞结构，显微镜已显示了它高超的能力。

然而，如何摄入从显微镜中得到的显微图像，如何对这些显微图像加以分析值得我们去认真研究。

例如在生物医学图像中，需要测定神经纤维的长度，各种细胞内颗粒大小及分布频率；在进行细胞诊断，特别是需要细胞识别时，需要得出定性和定量的结果。

在完成这些工作时，人眼就难以胜任，利用计算机图像处理，模式识别的技术，就可以很好地完成这些工作。

…
目前，针对细胞等有关生物方面处理的显微图像分析处理系统已经逐渐在行业中盛行。

例如珠海黑马医学仪器有限公司的ＧｓＭ一２０００系列显微图像分析管理系统：太原光学仪器厂的彩色显微图像分析系统：四川Ｉ大学图像图形研究所的敏视医用图像分析仪等等。

但是，真正使用这种数字图像处理装置的究竟有多少呢？
据了解，大多数涉及显微方面的实验室、企业单位等，都仍在使用传统的方法进行处理分析。

即配备一个光学显微镜，根据检测员肉眼的观察直观的去识别样片或标本的各种形态、特征．从而记录下当时的数据。

这样的操作过程不仅使检测员的工作强度较大．同时对检测员的技术要求也有了一定的限制。

此外，这种高强度的工作很容易引起身心疲惫，而且也经常会因主观因素而导致计算分析的偏差。

因而，利用计算机技术用数字的方式将显微图像摄入并进行存储和处理已是势在必行。

然而显微图像处理系统没有普及使用的原因，除了宣传推广不足外，更主要的是不菲的仪器或系统的价格，少则几万，多则十几万至几十万，使很多的普通用户望而却步。

因此，如何能设计一个价位较低且能普及推广使用的
堂坚丕雯夔主堡塞——————壹Ｉ二Ｉ生塑查数字显微图像处理系统就显得尤为重要。

本文就是介绍这样一种性价比良好的基于ＣＭＯＳ图像传感器的数字显微图象处理系统．并对系统中应用的主要部分，即图像摄入后的分析、处理技术方面进行了详细的阐述。

１．３论文的主要内容
本论文围绕显微图像的摄取、显徽图像的处理进行阐述，井针对利用ＣＭＯＳ图像传感器构成的显微图像处理系统进行具体的分析．给出了详尽的实验结果和应用情况。

本论文主要内容如下：
第一章概述：主要介绍显微图像处理在当前的一些情况，并对论文的目的和意义进行阐述。

第二章系统的硬件组成：主要介绍了显微图像处理系统的主要硬件设备，包括ＣＭＯＳ图像传感器、图像卡、ＵＳＢ接口和ＩＥＥＥｌ３９４接口等的基本知识和具体实现．
第三章系统的软件结构：对于程序体系中在实现时所用到的三个主要组成部分进行了阐述，其中包括基于ｖＦｗ的视频捕捉，基于ＭＣＩ的视频播放，基于ＤＩＢ的图像操作等。

第四章图像预处理：着重介绍了图像平滑的基本知识和方法，并讨论了图像恢复的一些算法实现和图像分割；最后针对一些细胞处理特殊性，引入～些数字彤态学的二值处理方法。

第五章显微图像分析：这是本论文的最主要部分，本章针对一些特定的显微图像给出了例如细胞计数，目标物面积、长、宽的计算、实际距离、模式识别等运算。

第六章总结和展望：讨论和总结本论文所研究的应用情况，并针对尚需进一步开展的研究给出相应的建议。

．５．
堑坚盔兰堕主堡塞笙三童墨篓箜堡丝！！堕
第二章系统的硬件组成
整个显微图像处理分析系统，总体上来说是由两个部分组成，即系统的硬件组成部分和软件的处理部分。

圈２—１所示为整个系统工作的流程。

镀微境ＣＭＯＳＩ｜Ｉ像传黪系统¨毫机
蜃
图２—１系统流程
从图２—１中我们可以初步地了解到这个处理系统的整个流程：首先通过显微镜观察样片或标本，然后用ＣＭＯＳ图像传感器系统捕捉目标图像并利用接口直接输入到计算机中进行显示，并在计算机中进行各种相应的分析处理。

在本章中将主要介绍这个系统中硬件部分的一些关键元器件的特性和具体实现，包括：ＣＭＯＳ图像传感器，图像卡、ＵＳＢ接口、ＩＥＥＥｌ３９４接口。

２．１ＣＭ０８图像传感器
图像传感器的功能就是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号一一视频信号，该视频信号能再现入射的光学图像。

６０年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管（如光导摄像管、飞点扫描管等）来完成。

６０年代后期，随着半导体集成电路技术．特别是ＭＯＳ集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展。

；６１
ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）是７０年代发展起来的新型半导体器件，它是在ＭＯＳ集成电路技术基础上发展起来的。

由于它具有光电转换、信息存储和延时等功能，而且集成度高，功耗较小．因而广泛应用于光电信号转换、处理及数字信号存储等高科技领域。

但是，ＣＣＤ也有一些非常明显的缺点：ＣＣＤ光敏单元阵列难与驱动电路及
－６．
塑坚查堂堡生丝塞蔓三皇ｊ型壅盟塑壁！边信号处理电路单片集成．不易处理一些模拟与数字功能，这些功能包括：ＡＩＤ转
换器、精密放大器、存储器、运算单元等元件的功能．ＣＣＤ阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压．
近年来吸引人们注意的一种ＣＣＤ替代技术是互补金属氧化物半导体
ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＣＭＯＳ）．ＣＭＯＳ传感器并不是对光（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｔａｔａｒｙ
线特别敏感，而且它的信噪比也没有更高的优势．当然，和其他技术前沿一样ｔ技术的改进是飞快的。

人们使用增强ＣＭＯＳ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＣＭＯＳ）来提高传感器对光线的敏感程度，特定的数字信号处理器（ＤＳＰ）被用来过滤ＣＭＯＳ中讨厌的噪音。

然而，ＣＭＯＳ有一些明显的优点。

ＣＭＯＳ芯片把图像传感器系统所需要的几乎全部捕捉技术集成到了一块芯片上。

因为所有的东西都在一起，捕捉的数据再也不用穿梭于迷宫般的线路中，极大地提高了捕捉速度。

在耗电方面，ＣＭＯＳ有更大的优势，它只消耗相当于ＣＣＤ八分之一的能量。

ＣＭＯＳ芯片还比ＣＣＤ容易制造，随着它们接受程度的增长，ＣＭＯＳ比ＣＣＤ有着明显的价格优势。

虽然ＣＭＯＳ不是图像捕捉的圣杯，在它的背后还是潜藏着巨大的财富。

目前，大多数数字影像技术公司在ＣＭＯＳ技术上投资，例如朗讯公司申请了一项单芯片照相机专利。

可以在弹子大小的空间里制造出具有全部数字相机功能的设备．０ｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司也正致力于ＣＨＯＳ图像传感器的技术研究和开发。

在不久的将来，ＣＭＯＳ图像传感器将作为主流产品得到广泛的应用。

……“”…１考虑到ＣＭＯＳ的集成度、价格优势和发展的潜力，因此，在系统中选择ＣＭＯＳ图像传感器作为主要的图像传感器件。

２．１．１总体结构，
ＣＭＯＳ图像传感器的总体结构框图如图２—２所示。

它们一般由光敏像元阵
列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路，在片模拟信号处理器（ＡＳＰ）构成，数字式ＣＭＯＳ图像传感器还集成有在片模／数转换器（ＡＤＣｌ。

ＣＭＯＳ图像传感器的光敏像元有无源像素结构和有源像素结构两大类。

后者￡要有光敏二极管型和光栅型两种，其他特殊结构类型还包括对数传输型、钉扎光敏二极管型、浮栅放大器型等。

行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，
．７．
堑要盔堂塑圭堡塞蔓三童墨堕堕堡堡！！堕也可以是译码器。

定时和控制电路决定信号的读出模式、设置积分时间、控制数据输出速率等．在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样、双△取样等功能．在片模拟／数字转换器是在片数字成像系统所必需的，ｃＭＯｓ图像传感器可以是整个成像阵列有一个ＡＤＣ或几个ＡＤＣ（每种一个颜色），也可以是成像阵列每列各有一个ＡＤＣ。

粤处理０
攥／敷转揍量
图２—２ＣＭＯＳ图像传感器总体结构
明ＯＳ图像传感器的图像信号有以下几种读出模式：整个阵列逐行扫描读出是一种普通的读出模式：窗口读出模式仅读出感兴趣窗口内像元的图像信息，这种读出模式增加了感兴趣窗口内信号的读出速率；跳跃读出模式每隔一个（或两个或更多）像元读出图像信号，这种读出模式用降低图像分辨率作为代价，以增加图像信号的读出速率．跳跃读出模式与窗口读出模式相结合，可实现电子全景摄像、倾斜摄像和可变焦摄像等功能。

ＣＭＯＳ图像传感器像元电路分为无源像素传感器（ＰＰＳ）和有源像素传感器（ＡＰＳ），ＡＰＳ引入一个有源放大器。

ＣＭＯＳ图像传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构和光栅型有源像素结构。

２．１．２无源像素结构
光敏二极管型无源像素结构自从１９６７年ｗｅｃｋｌｅＦ首次提出以来实质上一直没有变化。

无源像素结构如图２—３所示，它由一个
反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。

当开
关管开启，光敏二极管与垂直的列线连通。

位于
列线末端的电荷积分放大电路保持列线电压为一
常数．并减小ｋＴＣ噪声。

当光敏二极管存贮的信
无源象素结构
塑婆盔堂堡±堡塞蔓三童墨丝丝堡壁鱼壁号电荷被读取时。

其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大电路转换为电压输出．
单管的光敏．ｚ－极管型无源像素允许在给定的像元尺寸下有最高的设计填充系数；或者在给定的设计填充系数下．可以设计出最小的像元尺寸．另外光敏二极管可再集成一个开关管．以实现二维的ｘ—Ｙ寻址．由于填充系数高和没有许多ＣＣＤ中的多晶硅叠层．无源像素结构量子效率较高．但是，由于传输线电容较大，ＣＭＯＳ无源像素传感器读出噪声较高，典型值为２５０个均方根电子，这是其致命的弱点。

２．１．３有源象素结构
几乎在无源像素结构发明的同时．人们很快认识到在像元内引入缓冲器或放大器可以改善成像像元的性能，像元内集成有源放大器的ＣＭＯＳ图像传感器称有源像素图像传感器。

由于每个放大器仅在信号的读出期间被激发，所以ＣＭＯＳ有源像素传感器的功耗比ＣＣＤ小．同时具有优异性能的非ＣＭＯＳ型有源像素传感器也得到发展，例如电荷调制器件（ＣＭＤ），已发展到２０４８×２０４８像元的规模，但这类器件需要特殊的生产工艺。

与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为２０％～３０％，接近内线转移ＣＣＤ的填充系数。

２．】．３．Ｉ光敏二极管型有源像素结构
１９６８年，Ｎｏｂｌｅ描述了光敏二极管型有源像素传感器（ＰＤ—ＡＰＳ）的结构原理。

后来，这种像素结构有所改进。

光敏二极管
型有源像素结构如图２—４所示。

高性能ＣＭＯＳ有源像素图像传感器由喷
气推进实验室在１９９５年首先研制成功，像元
数为１２８×１２８，具有在片定时和控制、相关
州
蛙双取样和双△取样电路，采用１．２ｕｍＣＭＯＳ图２—４光敏二极管型有源像素结
ｎ阱工艺试制。

器件动态范围达到了７２ｄＢ，固定图形噪声小于０１５％饱和信号水平。

１９９７年，东芝研制成功了像元数为
６４０ｘ４８０的光敏二极管型ＡＰＳ图像传感器．其像元尺寸为５．６ｕｍ×５．６ｕｍ，具
．９．
塑坚叁兰堡！堡塞
墨三童墨竺塑堡监有彩色滤色膜和微透镜阵列．同年，ＶＬＳＩ影像公司研制成功了用于静态摄像的８００×１０００像元ＣＭＯＳ光敏二极管型ＡＰＳ图像传感器。

因为光敏二极管型８ＰＳ图像传感器的光敏面没有多晶硅叠层，所以其量子效率较高，它的读出噪声受复位噪声限制。

典型值为７５～１００个均方根电子。

光敏二极管型有源像素每个像元采用三个晶体管，典型的像元间距为１５ｘ最小特征尺寸。

ＣＭＯＳ光敏二极管型ＡＰＳ适宜于大多数中低性能的应用场合。

２．１．３．２光栅型有泺像素结构
光栅型有源像素传感器（ＰＧ．ＡＰｓ）在１９９３年由喷气推进实验室晟早研究成功并用于高性能科学成像和低光照成像。

光栅型有源像素传感器结合了ＣＣＤ和ｘ—Ｙ寻址的优点，其结构如图２—５所示。

光生信号电荷积分在光栅（ＰＧ）下，输出
前，浮鬣扩散节点（Ａ）复位（电压为ＶＤＤ），然后
产生光栅脉冲信号，收集在光栅下的信号电荷
并将其转移到扩散节点。

复位电压水平与信号电压水平之差就是传感器的输出信号。

当采用双层多晶硅工艺时，光栅与转移栅
抖
蚝图２—５光栅型有源像素结构
（Ｔｘ）之间要恰当交叠。

可以采用单层多晶硅工艺在光栅与转移栅之间插入扩散桥，这种扩散桥要引起大约１００个电子的拖影。

１９９６年，喷气推进实验室研制成功了２５６×２５６像元的光栅型ＣＩ＾０ＳＡＰＳ图像传感器，像元尺寸为２０．４ｐ．ｍ，采用１．２ｐ，ｍ单层多晶硅ｎ阱工艺，集成有相关双取样和双△取样电路，读出噪声为１３个均方根电子．暗电流密度为５００ｐＡ／ｃｍ２。

１０２４×１０２４像元光栅型ＣＭＯＳＡＰＳ图像传感器已由喷气推进实验室和ＡＴ＆Ｔ联合研制成功，像元间距１０ｐ．ｍ，采用Ｏ．５ｐ．ｍ工艺技术。

光栅型ＡＰＳ每个像元采用５个晶体管，典型的像元间距为２０ｘ最小特征尺寸。

采用０．２５ｐ．ｍ工艺将允许达到５９ｍ的像元间距。

浮置扩散电容典型值为１０ｆＦ量级，产生２０９Ｖ／ｅ＋的增益，读出噪声一般为１０～２０个均方根电子，现在已有读出噪声为５个均方根电子的光栅型ＡＰＳ图像传感器。

．１０．
堑坚盔堂塑主堕塞墨三童墨丝盟堡壁望堕因为目前便于组合的通用型计算机中一般不具备图像采集功能，所以把图像采集电路集成为一块卡，插入通用计算机中（一般是ＰＣＩ插槽），就可以在不浪费原有计算机资源的情况Ｆ，构成具有图像采集功能的计算机．
图像卡的工作原理如图２—６所示。

视频信号包括从摄像机，放象机等输出的各种制式（ＮＴＳＣ，ＰＡＬ等）的视频输出信号，也包括经过输入选择模块处理后．形成能被图像卡识别的模拟视频信号。

模拟视频信号经过Ａ／Ｄ转换模块处理，变成一幅幅数字图像．存储在视频卡的帧缓冲存储器内，这时，信号分为二路．一路用于显示视频图像，信号输出到显示卡，再传输到显示器。

另一路用于图像的采集和存储，最终图像存储到计算机的内存或硬盘，用于图像处理。

图２—６图像卡原理图
这期间，需要计算机的ＣＰＵ总线、卡的图像控制模块来控制图像的具体信息传递。

型号不同的卡在压缩功能上不同，有些卡具有这种功能，有些卡不具备。

一般地说。

动态卡都具备压缩功能。

图像采集卡可以按三种方式来分类：
（１）按工作方式分为通用型和专业型。

（２）按是否具有连续采集能力分为静态图像采集卡和动态图像采集卡。

（３）按是否有彩色处理能力分为彩色卡和单色卡。

２．２．２ＩＪＳＢ接口
ＵＳＢ是一些Ｐｃ大厂商，如Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、ｉｎｔｅｌ等为了解决日益增加的ＰＣ外设与有限的主板插槽和端１：３之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。

１９９６年１月，
Ｉｎｔ乩Ｃｏｍｐａｑ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ、ＮＥＣ等著名的计算机公司提ｔｌ：ｌ了ＵＳＢ１．０通用串行总线（ｕｎｉｖｃｒｓａＩＳｅｒｉａｌＢｕｓ）规范．１９９７年就开始出现了真正符合ＵＳＢｌ．０技术标准的计算机外设。

目前计算机与外设上普遍采用的是ＵＳＢＩ．１技术标准。

…１ＵＳＢ发展的下一步是２．０版，它的主要目标是具有更快的传输功能．ＵＳＢ２．０向下兼容ＵＳＢ１．１，数据的传输率将达到１２０Ｍｂｐｓ～４９０Ｍｂｐｓ，预备支持宽带数字摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备．“”
２．２．２．１ＵＳＢ系统结构
ＵＳＢ采用了～个层次化的新结构，具体而言就是集线器（ＨＵＢ）为ＵＳＢ设备提供连接点。

主控制器（ＨｏｓｔＣｏｎｔｒ０１１ｅｒ）包含集线器，它是系统中所有ＵＳＢ端口的起点。

如图２～７所示的ＵＳＢ系统拓扑结构，根集线器提供了一定数量的ＵＳＢ端口（本例中为３个），ＵＳＢ外设（ＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＳＮｏｄｅ）和附加集线器可以连接到那里。

此外．ＵＳＢ支持两种不同的设备速率：
·低速设备～一１．５Ｍｂｐｓ
·高速设备～一１２Ｍｂｐｓ
注意：一个集线器端口可以和一个全速设备相连，也可以和一个低速设备相连。

每个ＵＳＢ端口必须既能支持低速，又能支持全速设备。

除非该端口用于和某个设备永久相连。

…“……１
图２—７ＵＳＢ系统拓扑结构
２．２．２．２ＵＳＢ的连接
ＵＳＢ通过一个４线电缆来传输数据和提供电源，如图２—８所示。

其中Ｄ＋和Ｉ）一是一对差分的信号线，而ＶＢＵＳ和ＧＮＤ则提供５Ｖ的直流电电源，可以用来给外蹬供电。

…１
．１３．
｜璺｜２—９ＩＪＳＢ系统中通讯数据流
和ＵＳＢ解决方案相联系的基本硬件和软件元素包括
●ＵＳＢ硬件
·ＵＳＢ主控制器／根集线器
·ＵＳＢ集线器
·ＵＳＢ设备
●通用性软件
·ＵＳＢ设备驱动程序
·ＵＳＢ驱动程序
·ＵＳＢ控制器驱动程序…１
２．２．３ＩＥＥＥ１３９４接口
什么是ＩＥＥＥｌ３９４７１ＥＥＥｌ３９４是以包（ｐａｃｋｅｔ）的形式发送信息的高速串行总线。

它已经发展了有近１０年。

最初是由苹果机的“火线”（ＦｉｒｅＷｉｒｅ）发展而来，并在１９９５年给予了ＩＥＥＥ的详细说明。

发展ＩＥＥＥｌ３９４的最初动机是巩固和替代现行的一些串行和并行接口，包括打印口、ＲＳ２３２和ＳＣＳＩ：从而使所有的设备共享相同的开关和电缆，但是，因为它的带宽很高，ＩＥＥＥ｝３９４已经逐渐流行在宽带的应用上。

实时的多媒体将是ＩＥＥＥＩ３９４的一个典型席＿｝｝ｊ。

消费类电子工业正在为音频和视频仪器作ＩＥＥＥ｜３９４的标准，这些仪器包括数字可携式摄像机、数码相机、。