我們知道在圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像上。在機(jī)器視覺領(lǐng)域，圖像采集和處理的過程需要用到工業(yè)相機(jī)。

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。其成像原理與小孔成像類似，但更為復(fù)雜。當(dāng)被攝物體反射的光線通過工業(yè)鏡頭折射后，會(huì)投射到相機(jī)的感光傳感器上，這個(gè)感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。

由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來完成這兩個(gè)過程。我們常用的感光傳感器是CCD和CMOS，今天51camera和大家一起來看看CMOS傳感器的原理及基礎(chǔ)知識(shí)。

CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它是一種用傳統(tǒng)芯片方法將光敏元件、放大器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算器接口電路集成一塊在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上。

CMOS憑借其低功耗、高集成度、低成本和高速度等優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)今工業(yè)相機(jī)和消費(fèi)電子領(lǐng)域絕對(duì)的主流。

一、CMOS工作過程

1.電荷產(chǎn)生(電荷的產(chǎn)生和收集)

2.電荷量化(將電荷轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ))

3.信號(hào)輸出

二、CMOS的三種類型

1.卷簾快門Rolling shutter

每次僅能對(duì)一行像元進(jìn)行曝光控制，一行曝光后再對(duì)下一行進(jìn)行曝光。

這是大多數(shù)消費(fèi)級(jí)CMOS傳感器采用的方式。

• 曝光方式：不是所有像素同時(shí)開始和結(jié)束曝光。而是像“卷簾”一樣，從上到下逐行進(jìn)行曝光和讀取。
• 優(yōu)點(diǎn)：像素結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，填充因子高，成本較低。
• 缺點(diǎn)：在拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生畸變。例如，拍攝旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片，葉片可能會(huì)變彎。
• 工業(yè)應(yīng)用：適用于對(duì)運(yùn)動(dòng)畸變不敏感的一般檢測(cè)場景。

2.全局快門Global shutter

具備 5T的結(jié)構(gòu)，使整幅圖像所有像元同時(shí)開始和結(jié)束曝光。

這是工業(yè)相機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)之一。

• 曝光方式：所有像素在同一時(shí)刻開始曝光，并在同一時(shí)刻結(jié)束曝光。然后，每個(gè)像素將電荷轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部的一個(gè)遮光存儲(chǔ)區(qū)，再逐行讀取這些存儲(chǔ)區(qū)的信號(hào)。
• 優(yōu)點(diǎn)：可以完美捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體，無畸變。
• 缺點(diǎn)：像素結(jié)構(gòu)更復(fù)雜（增加了存儲(chǔ)區(qū)），填充因子降低，成本更高，通常噪聲（特別是暗噪聲）會(huì)比同級(jí)別的卷簾快門傳感器稍大。
• 工業(yè)應(yīng)用：至關(guān)重要。廣泛應(yīng)用于機(jī)器人引導(dǎo)、高速生產(chǎn)線檢測(cè)、體育分析、交通監(jiān)控等任何涉及快速運(yùn)動(dòng)的場景。

3.線陣Line

三、工業(yè)相機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)

• 像素：感光器件上的基本感光單元，也是一幅圖像的基本單元。
• 分辨率：感光器件/圖像的水平和垂直方向的像素?cái)?shù)。
• 有效像素：可以感光的、最終產(chǎn)生的電荷量將輸出為數(shù)據(jù)信息的像素。 無效像素：預(yù)掃描像素，不感光，產(chǎn)生的電量將被參考為灰度“0”，即黑電平基準(zhǔn)。這些像素不會(huì)反映在圖像上。
• 靶面：Sensor的對(duì)角線長度，通常有 1/3, 1/2, 2/3, 1英寸等。相同數(shù)量的有效像素，板面大的感光好。
• 清晰度：實(shí)際能夠看到的清晰程度，用標(biāo)準(zhǔn)長度內(nèi)能看到多少線/點(diǎn)來衡量。
• 信噪比：輸出信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲的比（dB）。
• 像素時(shí)鐘：每秒輸出的有效像素個(gè)數(shù)。
• 幀/場： 相機(jī)輸出的完整的一幅圖像為一幀，隔行信號(hào)一幀分為兩場。
• 增益：通過放大器對(duì)信號(hào)/噪聲的放大。
• 動(dòng)態(tài)范圍：能分辨的圖像灰度級(jí)別。
• Binning：將幾個(gè)像素聯(lián)合起來作為一個(gè)像素使用，提高靈敏度和輸出速度，降低分辨率。
• 快門：每幀圖像的曝光時(shí)間。
• 光譜響應(yīng)：感光器件在不同波段的感光程度。
• 量子效率：光子轉(zhuǎn)化成電子的效率（以%表示）對(duì)于不同波長的光此參數(shù)不一樣。一般為300~1100nm可見光范圍。

工業(yè)相機(jī)CMOS傳感器是一個(gè)高度復(fù)雜的光電系統(tǒng)集成芯片。其核心原理是利用光電效應(yīng)在像素級(jí)別將光轉(zhuǎn)換為電荷，并通過復(fù)雜的片上電路將電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并最終輸出為數(shù)字圖像。