CMOS图像传感器的噪声分析及图像处理
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美国 Foveon 公司于 1997 年成立，在 2003 年推出了 F7X3-C9110 全色 CMOS 图像 传感器和 F19X3-A50 全色 CMOS 图像传感器，其中 F19X3-A50 像素为 1420 × 1060 具有 40MHZ 的 12 位数模转换器和数字处理单元，采用了该公司研发的 X3 技术[10]。 美国 Silicon Video（SVI）公司在 2003 年收购 PVS 公司后，利用 PVS 的专利技术研制
华中科技大学 硕士学位论文 CMOS图像传感器的噪声分析及图像处理 姓名：和文娟 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：杨克成 2011-01-06
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着大规模集成电路制造工艺及设计技术的发展，CMOS 图像传感器具有成本低， 功耗低，高集成度等优点，并且在成像水平上接近甚至超过 CCD 图像传感器，具有非 常广阔的应用前景。本论文以 CMOS 成像系统为研究对象，分析了 CMOS 图像传感器 的噪声，并对图像传感器在实验中得到的数字图像进行了降噪处理实验。
The digital noise of CMOS image sensors will be generated in digital-analog conversion. In order to minimize the noise of digital image, it’s necessary to deal with the image collected by CMOS image sensor at the bank-end. Except median filter and Gaussian filter, identification part of the noise was added to program. According to the method，the image was processed in simulated environment MATLAB. First the type of noise was indentificated, then process it According to the results of last step. And this method shows a very good effect on noise minimization by the experiments.
1.1 图像传感器概述
图像传感器是用来完成图像信息光电变化的功能器件，图像传感器的发展历史悠 久，种类很多。1934 年就已经研制出光电摄像管，1947 年研制出超正析像管，1954 年高灵敏摄像管投放市场，1965 年推出氧化铅摄像管，1976 年研制出硒靶管和硅靶管。
目前，图像传感器的主流产品有 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件） 和 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物场效应管）两 大类。
1.2 国内外 CMOS 图像传感器的发展现状
CMOS 图像传感器是 1969 年由美国航空航天局研制成功，虽然比 CCD 的出现早 一些，但是由于受到当时大规模集成电路工艺的限制，灵敏度、分辨率、噪声等方面 性能都比较差，所以基本上在九十年代以前，CCD 一直是图像传感器市场的主流器件。 1989 年以后，出现了有源像素 CMOS 图像传感器，随着超大规模集成电路技术的发展， CMOS 器件具有了很高的集成度，可以在片内集成光敏元件，数模转换，数字信号处 理器，增益控制电路，自动曝光处理，放大及存储电路，甚至具有运算和可编程功能 的 DSP 等，可以采用成熟的集成电路生产工艺，有利于降低设计和生产成本，得到了 很大的发展，另外，CMOS 器件具有单电ห้องสมุดไป่ตู้和低工作电压（3~5V）的优点，在很多成 像性能方面已经超过 CCD，成为研究的热点。
Key words：Three-dimensional noise model Image sensor
Image enhancement
CMOS
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本论文主要有三部分内容，首先我们分析了 CMOS 图像传感器的模拟噪声类型， 主要以时间和空间噪声为分类基础，详细介绍了三维噪声模型的原理。在此基础上， 我们设计了一个基于三维噪声模型理论的图像传感器时间和空间噪声测量实验。利用 试实验成像系统拍摄一系列均匀背景图像，然后对所拍摄图像进行一系列的分析和处 理，得出时间噪声和空间噪声在不同照度下的具体值，并得出其变化趋势。
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日期：
年 月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本
人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，
可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
美国贝尔电话实验室在七十年代初研究出 CCD（电荷耦合器件）的工作原理，随 之图像传感器进入了跨越式的发展时代，图像传感器的输出方式从真空电子束扫描方 式发展到固体自扫描输出方式。CCD 图像传感器的自扫描输出方式能够消除电子束扫 描造成的图像光电转换的非线性失真。而且在体积、重量、功耗及制造成本方面具有 电子束摄像管根本无法达到的优势。1969 年出现的 CMOS 图像传感器，是一种可以利 用通用的芯片制造工艺将放大，数模转换、存储电路、DSP 和计算机接口电路等集成 到芯片中的图像传感器件，虽然 CMOS 图像传感器比 CCD 图像传感器还早一年出现， 但是在之后的很长时间，由于当时大规模集成电路工艺的限制，CMOS 传感器存在成 像质量差，像敏单元尺寸小、填充率低、响应速度慢等缺点，只能应用于对图像质量 要求不高，尺寸较小的器件中。早期的 CMOS 器件采用无源像素结构，没有信号放大 及信号处理电路，性能比较差。九十年代以后，出现了有源像素结构，除光敏元件和
在实际应用中，特别是在光线较暗的情况下，成像系统会采取加补充光源的方法 来增加曝光量。本论文中对成像系统的不均匀性，主要是光源造成的不均匀性，其余 还有光学系统的渐晕效果，成像系统的暗电流及光响应的非均匀性等进行了探讨，并 采用校正矩阵的方法进行校正，经实验验证这种方法具有很好的校正效果。
关键词： 三维噪声模型 图像增强 CMOS 图像传感器
At first，in this thesis we analyzed the analog noise of CMOS image sensor, mainly based on time and space noise, this thesis described three-dimensional noise model. On the ground of it we designed a three-dimensional noise measurement test system. And then we capture a series of pictures of homogeneous background, after analysis and process the pictures, we can get the value of time and space noise under different illumination, and reached its trend.
CMOS 图像传感器在经过数模转换后会产生数字噪声，本论文对传感器实验后得 到的数字图像进行了降噪处理实验。在中值滤波和均值滤波的基础上，加入噪声判别 部分，设计混合噪声降噪处理算法，运用 MATLAB 语言进行编程并进行实验，首先 进行噪声判别，然后根据噪声判别的结果进行降噪处理，实验结果表明本算法具有比 较好的降噪效果。
保密□， 在 本论文属于
不保密□。
年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
由于大规模集成电路的发展和 CMOS 图像传感器本身具有的一些优良特性， CMOS 图像传感器（CIS）吸引了越来越多的注意力，目前 CMOS 图像传感器的应用 领域包括移动电话照相机，数码相机，玩具，摄像机，视频会议，安全监控，医疗设 备，车载成像系统等方面。CMOS 图像传感器的年销售额在 04 年到 08 年一直保持 34% 的年增长率，在固体图像传感器领域，CMOS 具有很大的优势，如高集成度，低功耗， 小型化，低制造成本等[1]。
In practical application, especially under the situation of darkish light, the imaging system will take the method of adding additional light source to increase exposure. In this paper, the inhomogeneity of the optical system, especially the inhomogeneity that the light caused, asymptotic stun in the optical system, dark current in the imaging system and heterogeneity of the light response were discussed. This thesis uses the calibrated matrix method for calibration, and this method shows a very good correction effect by the experiments.
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
With the development of large scale integrated circuit manufacturing and design technology, CMOS image sensors with low cost, low power consumption, high integration, etc., and close to or above the level imaging CCD image sensor, has a very broad application prospects.
1
华中科技大学硕士学位论文
寻址开关外，还有信号放大电路和信号处理等电路，减小了噪声，提高了光电灵敏度， 扩大了动态范围，从而在性能参数方面接近甚至超过 CCD 图像传感器，在尺寸，成本， 功耗方面优于 CCD，所以在越来越广泛的领域得到了应用[2] 。
CMOS 图像传感器发展到现在，经历了四代技术进步，最先出现的是 1967 年由 Wecklert 提出的 CMOS-PPS（CMOS 无源像素传感器）[3][4]，其基本的像素结构是由反 向偏置光敏二极管和开关管组成。第二代是在 1968 年，由 Nobel 首先提出来的光敏二 极管型有源像素结构(PD-APS)的图像传感器[5] [6]，基本原理是在像素结构内集成放大 元件，使信号在像素单元内就进行放大。CMOS 无源像素传感器和 CMOS 有源像素图 像传感器输出的都是模拟信号，第三代 CMOS 图像传感器在芯片内集成数模转换模块， 即 CMOS 数字图像传感器(CMOS-DPS)[7][8][9]。第四代是在 2002 年初，Foveon 公司发 布的 FoveonX3 全色图像传感器，它由单个像素感应全部色彩，是根据硅对不同波长光 线吸收效应的不同来设计的分层感应结构。
华中科技大学 硕士学位论文 CMOS图像传感器的噪声分析及图像处理 姓名：和文娟 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：杨克成 2011-01-06
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着大规模集成电路制造工艺及设计技术的发展，CMOS 图像传感器具有成本低， 功耗低，高集成度等优点，并且在成像水平上接近甚至超过 CCD 图像传感器，具有非 常广阔的应用前景。本论文以 CMOS 成像系统为研究对象，分析了 CMOS 图像传感器 的噪声，并对图像传感器在实验中得到的数字图像进行了降噪处理实验。
The digital noise of CMOS image sensors will be generated in digital-analog conversion. In order to minimize the noise of digital image, it’s necessary to deal with the image collected by CMOS image sensor at the bank-end. Except median filter and Gaussian filter, identification part of the noise was added to program. According to the method，the image was processed in simulated environment MATLAB. First the type of noise was indentificated, then process it According to the results of last step. And this method shows a very good effect on noise minimization by the experiments.
1.1 图像传感器概述
图像传感器是用来完成图像信息光电变化的功能器件，图像传感器的发展历史悠 久，种类很多。1934 年就已经研制出光电摄像管，1947 年研制出超正析像管，1954 年高灵敏摄像管投放市场，1965 年推出氧化铅摄像管，1976 年研制出硒靶管和硅靶管。
目前，图像传感器的主流产品有 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件） 和 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物场效应管）两 大类。
1.2 国内外 CMOS 图像传感器的发展现状
CMOS 图像传感器是 1969 年由美国航空航天局研制成功，虽然比 CCD 的出现早 一些，但是由于受到当时大规模集成电路工艺的限制，灵敏度、分辨率、噪声等方面 性能都比较差，所以基本上在九十年代以前，CCD 一直是图像传感器市场的主流器件。 1989 年以后，出现了有源像素 CMOS 图像传感器，随着超大规模集成电路技术的发展， CMOS 器件具有了很高的集成度，可以在片内集成光敏元件，数模转换，数字信号处 理器，增益控制电路，自动曝光处理，放大及存储电路，甚至具有运算和可编程功能 的 DSP 等，可以采用成熟的集成电路生产工艺，有利于降低设计和生产成本，得到了 很大的发展，另外，CMOS 器件具有单电ห้องสมุดไป่ตู้和低工作电压（3~5V）的优点，在很多成 像性能方面已经超过 CCD，成为研究的热点。
Key words：Three-dimensional noise model Image sensor
Image enhancement
CMOS
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本论文主要有三部分内容，首先我们分析了 CMOS 图像传感器的模拟噪声类型， 主要以时间和空间噪声为分类基础，详细介绍了三维噪声模型的原理。在此基础上， 我们设计了一个基于三维噪声模型理论的图像传感器时间和空间噪声测量实验。利用 试实验成像系统拍摄一系列均匀背景图像，然后对所拍摄图像进行一系列的分析和处 理，得出时间噪声和空间噪声在不同照度下的具体值，并得出其变化趋势。
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日期：
年 月日
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保
留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本
人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，
可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
美国贝尔电话实验室在七十年代初研究出 CCD（电荷耦合器件）的工作原理，随 之图像传感器进入了跨越式的发展时代，图像传感器的输出方式从真空电子束扫描方 式发展到固体自扫描输出方式。CCD 图像传感器的自扫描输出方式能够消除电子束扫 描造成的图像光电转换的非线性失真。而且在体积、重量、功耗及制造成本方面具有 电子束摄像管根本无法达到的优势。1969 年出现的 CMOS 图像传感器，是一种可以利 用通用的芯片制造工艺将放大，数模转换、存储电路、DSP 和计算机接口电路等集成 到芯片中的图像传感器件，虽然 CMOS 图像传感器比 CCD 图像传感器还早一年出现， 但是在之后的很长时间，由于当时大规模集成电路工艺的限制，CMOS 传感器存在成 像质量差，像敏单元尺寸小、填充率低、响应速度慢等缺点，只能应用于对图像质量 要求不高，尺寸较小的器件中。早期的 CMOS 器件采用无源像素结构，没有信号放大 及信号处理电路，性能比较差。九十年代以后，出现了有源像素结构，除光敏元件和
在实际应用中，特别是在光线较暗的情况下，成像系统会采取加补充光源的方法 来增加曝光量。本论文中对成像系统的不均匀性，主要是光源造成的不均匀性，其余 还有光学系统的渐晕效果，成像系统的暗电流及光响应的非均匀性等进行了探讨，并 采用校正矩阵的方法进行校正，经实验验证这种方法具有很好的校正效果。
关键词： 三维噪声模型 图像增强 CMOS 图像传感器
At first，in this thesis we analyzed the analog noise of CMOS image sensor, mainly based on time and space noise, this thesis described three-dimensional noise model. On the ground of it we designed a three-dimensional noise measurement test system. And then we capture a series of pictures of homogeneous background, after analysis and process the pictures, we can get the value of time and space noise under different illumination, and reached its trend.
CMOS 图像传感器在经过数模转换后会产生数字噪声，本论文对传感器实验后得 到的数字图像进行了降噪处理实验。在中值滤波和均值滤波的基础上，加入噪声判别 部分，设计混合噪声降噪处理算法，运用 MATLAB 语言进行编程并进行实验，首先 进行噪声判别，然后根据噪声判别的结果进行降噪处理，实验结果表明本算法具有比 较好的降噪效果。
保密□， 在 本论文属于
不保密□。
年解密后适用本授权书。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
华中科技大学硕士学位论文
1 绪论
由于大规模集成电路的发展和 CMOS 图像传感器本身具有的一些优良特性， CMOS 图像传感器（CIS）吸引了越来越多的注意力，目前 CMOS 图像传感器的应用 领域包括移动电话照相机，数码相机，玩具，摄像机，视频会议，安全监控，医疗设 备，车载成像系统等方面。CMOS 图像传感器的年销售额在 04 年到 08 年一直保持 34% 的年增长率，在固体图像传感器领域，CMOS 具有很大的优势，如高集成度，低功耗， 小型化，低制造成本等[1]。
In practical application, especially under the situation of darkish light, the imaging system will take the method of adding additional light source to increase exposure. In this paper, the inhomogeneity of the optical system, especially the inhomogeneity that the light caused, asymptotic stun in the optical system, dark current in the imaging system and heterogeneity of the light response were discussed. This thesis uses the calibrated matrix method for calibration, and this method shows a very good correction effect by the experiments.
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
With the development of large scale integrated circuit manufacturing and design technology, CMOS image sensors with low cost, low power consumption, high integration, etc., and close to or above the level imaging CCD image sensor, has a very broad application prospects.
1
华中科技大学硕士学位论文
寻址开关外，还有信号放大电路和信号处理等电路，减小了噪声，提高了光电灵敏度， 扩大了动态范围，从而在性能参数方面接近甚至超过 CCD 图像传感器，在尺寸，成本， 功耗方面优于 CCD，所以在越来越广泛的领域得到了应用[2] 。
CMOS 图像传感器发展到现在，经历了四代技术进步，最先出现的是 1967 年由 Wecklert 提出的 CMOS-PPS（CMOS 无源像素传感器）[3][4]，其基本的像素结构是由反 向偏置光敏二极管和开关管组成。第二代是在 1968 年，由 Nobel 首先提出来的光敏二 极管型有源像素结构(PD-APS)的图像传感器[5] [6]，基本原理是在像素结构内集成放大 元件，使信号在像素单元内就进行放大。CMOS 无源像素传感器和 CMOS 有源像素图 像传感器输出的都是模拟信号，第三代 CMOS 图像传感器在芯片内集成数模转换模块， 即 CMOS 数字图像传感器(CMOS-DPS)[7][8][9]。第四代是在 2002 年初，Foveon 公司发 布的 FoveonX3 全色图像传感器，它由单个像素感应全部色彩，是根据硅对不同波长光 线吸收效应的不同来设计的分层感应结构。