数字图像采集实验讲义(DOC)

图像采集处理

一、实验目的

通过本实验掌握采用计算机多媒体CCD摄像头和视频采集卡进行图像采集的方法，建立CCD传感器在实际中应用的概念，并掌握CCD器件以及视频采集卡的基本工作原理，了解图像传输与处理的基本相关知识，激发对图像噪声起源及分类的思考。

二、实验原理

1 CCD成像原理

1.1 CCD的半导体结构

目前消费类数码摄像头上图像传感器大多使用的是电荷耦合器件(CCD)。CCD （Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS(金属-氧化物-半导体)电容器组成。MOS靠势阱捕获电子的方式工作，是在一块（可以是N型也可以是P型）纯净的单晶硅上扩散一层二氧化硅，再在上面扩散一层接受光子辐射的类似光电二极管PN结的MOS结构，外围通过扩散不同的绝缘层和沟道形成密布在单晶硅上的CCD单元，最后加上电源和信号引线做成集成电路(如图1)。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。

图1 CCD成像电路

1.2 信号电荷的产生

当一束光投射到MOS电容器上时，光子透过金属电极和氧化层，进入Si衬底，衬底每吸收一个光子，就会产生一个电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄象器件的光敏单元为光注入方式。光注入电荷

Q IP =η×q×△neo×A×T C (1) 式中：η为材料的量子效率：q为电子电荷量；△neo为入射光的光子流速；A为光敏单元的受光面积；T C为光注入时间。

由此式可以看出，当CCD确定以后，η.q及A均为常数，注入到势阱中的信号电荷Q IP与入射光的光子流速△neo及注入时间TC成正比。注入时间T C由CCD驱动器的转移脉冲的周期TSH决定，当所设计的驱动器能够保证其注入时间稳定不变时，注入到势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率△neo成正比。正常情况下。光注入的电荷量与入射的谱辐量度在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射的光谱辐通量的关系为△neλ=φeλ/hv， h,v,λ均为常数。因此在这种φeλ成线性关系。该线性关系是应用CCD检测光谱强度和进行多通道光谱分析的理论基础。

1.3 信号电荷的存贮

当栅极未施加正偏压UG，P 型半导体中的空穴(多数载流子)分布均匀。当栅极施加正偏压UG ( UGUth 时，绝缘体界面与半导体体内的电势（称为表面势φs)足够大，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到绝缘体表面，使该处电子浓度超过空穴浓度，出现反型层。

反型层电荷的存在表明，MOS 结构有存储电荷的功能。一般用“势阱”概念来描述。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG 成线性关系。当反型层电荷填充势阱时，表面势收缩。势阱中可存储信号电荷的容量为QR = CoxUG ，其中，Cox 为MOS 电容容量, UG 为栅极偏压。当反型层电荷为信号电荷Qi 时, 若Qi < QR ，则反型层电荷数量反映了光强的大小, 实现了CCD 光电转换的线性效应。当Qi ＞QR 反型层电荷将势阱填满时，势阱“饱和”, 超出CCD 光电转换的线性效应区, 表面势不再束缚多余的电子，电子将“溢出”，这是应当避免的应用状态。

1.4 信号电荷的传输

图2表示了在CCD中，电荷如何从一个势阱转移到另一个势阱中的过程。

a)ø1相势阱存有电荷b)ø1相电荷向ø2相转移c)ø1、ø2相电势相等，电荷相同

d) ø1势阱减弱e) ø1相电荷向ø2相转移完毕 f)三相时钟

图 2 CCD信号电荷的传输过程

从图2中可以看出，对于彼此靠得很近的MOS结构(CCD单元)，只要将按一定规律变化的电压(时钟脉冲)加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿着半导体表面按一定方向逐单元地移动。当电荷包中的电子转移到某个栅下时，被收集区收集，在等效电阻上产生电流，并转化为电压信号串行输出，输出脉冲幅值依次与原来储存于原来势阱中电荷包的电子数成正比。

CCD利用光电转换功能将投射到CCD上面的光学图像转换为电信号“图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。光转换成电的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。

1.5 彩色成像原理

图像传感器实际上只能记录光线的灰度，也就是记录光线的强弱，却没有办法分辨颜色。而彩色图像中最需要的是光线的颜色，解决方式是在每一个光电二极管上都采用了红、绿、兰三色滤光器，使对应的光电二极管只记录相应的单色光。最后将红、绿、兰三色图象进行合成就还原为彩色图像，如图3所示。

图3 CCD彩色成像原理

滤镜上不同的色块按G－R－G－B（绿－红－绿－蓝）的顺序像马赛克一样排列，使每一片“马赛克”下的像素感应不同的颜色。例如，在一个130万像素的CCD上，有325000个像素感应红色，325000个像素感应蓝色，650000个像素感应绿色。绿色像素多一点，是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。最后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像素相混合的平均值。

2 CCD传感器的特性

CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。

2.1 光谱特性

CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，宽于人眼的视觉范围，一般在0.2－1.1µm的波长范围内。特种材料的红外CCD 的波长响应可扩展到几微米，即CCD 的光谱响应范围从远紫外，近紫外，可见光到近红外区，甚至到中红外区。利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明，也能使CCD图像传感器清晰地成像。

2.2 分辨率

CCD 像感器采用自扫描方式，每个光敏单元都被隔开较大的距离。因此，CCD 的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。光敏单元呈周