CCD 以及將它們集成到功能系統(tǒng)中的工程師出人意料地擅長(zhǎng)防止數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)電子束在從像素點(diǎn)到讀出放大器的過(guò)程中發(fā)生混淆。然而，如果由于某種原因我們希望一個(gè)像素的電荷與另一個(gè)像素的電荷混合，CCD 的結(jié)構(gòu)使這一點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)。

　　有意地組合來(lái)自不同像素的光產(chǎn)生的電荷稱(chēng)為分箱——就好像我們將電子扔進(jìn)某種公共箱中一樣。

　　讓我們考慮一下為什么我們要這樣做。

　　分箱的優(yōu)點(diǎn)

　　在 CCD 中利用合并的優(yōu)點(diǎn)可分為兩大點(diǎn)：

　　提高幀率

　　提高信噪比

　　提高幀速率

　　分箱的好處之一是速度。分箱就像下采樣；圖像數(shù)據(jù)的分辨率根據(jù)執(zhí)行合并的多少而降低。

　　假設(shè)我們有一個(gè) 1000 × 1000 像素的傳感器。如果我們?cè)诩せ钏揭莆?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器之前將兩行合二為一，我們將只有 500 行數(shù)據(jù)。因此，總讀出時(shí)間減少了大約兩倍。

　　然后，如果我們?cè)谒阶x出期間將兩個(gè)像素合并為一個(gè)，我們將創(chuàng)建 500 像素的線寬，并將讀出時(shí)間減少兩倍。請(qǐng)記住，這不是裁剪 - 整個(gè)圖像仍然顯示在終數(shù)據(jù)集中，但分辨率較低。

　　該技術(shù)可用于需要靈活成像操作的各種應(yīng)用。一個(gè)例子是需要生成高質(zhì)量靜態(tài)圖像和低質(zhì)量視頻的數(shù)碼相機(jī)。合并以高幀速率提供下采樣圖像數(shù)據(jù)，然后使用非合并讀出來(lái)獲取全分辨率的單個(gè)圖像。

　　在此圖中，兩個(gè)垂直相鄰的像素被合并，然后這些合并的帶電數(shù)據(jù)包中的兩個(gè)被沉積到輸出節(jié)點(diǎn)上，導(dǎo)致合并因子為四。

　　提高信噪比 （SNR） — 并對(duì) CCD 中的噪聲源進(jìn)行額外觀察

　　分箱與數(shù)字下采樣類(lèi)似，但又不同。如果我們通過(guò)消除例如每隔一條線和每隔一個(gè)像素來(lái)進(jìn)行下采樣，那么數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。我們降低了分辨率，但沒(méi)有采取任何措施來(lái)改進(jìn)剩余數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)我們進(jìn)行裝箱時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)被簡(jiǎn)單地丟棄，因?yàn)槲覀冋诤喜⑾噜徬袼氐碾姾?。這意味著合并是在弱光條件下提高 SNR 的一種方法。

　　了解合并對(duì) SNR 的影響非常重要，為此我們需要了解 CCD 噪聲的本質(zhì)。我計(jì)劃在以后的文章中更徹底地探討圖像傳感器噪聲，因此這只是基本的內(nèi)容。

　　CCD 中的主要噪聲源是光子噪聲、暗噪聲和讀取噪聲。光子噪聲和暗噪聲成為每個(gè)像素中生成的電荷包的一部分。讀取噪聲包括將 CCD 的電荷包轉(zhuǎn)換為可用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程中引入的所有噪聲。

　　分箱并不是光子噪聲或暗噪聲的解決方案。例如，當(dāng)您組合來(lái)自?xún)蓚€(gè)相鄰像素的電荷包時(shí)，您只需將一個(gè)像素的暗噪聲添加到另一個(gè)像素的暗噪聲中。信噪比沒(méi)有改變。

　　然而，讀取噪聲的影響可以大大降低，因?yàn)橥獠侩娮悠骷牟僮鞑皇芎喜⒌挠绊?。這些電路甚至不知道合并已經(jīng)發(fā)生。如果將接收等量入射光的兩個(gè)像素組合起來(lái)，信號(hào)就會(huì)加倍，并且該組合像素在片外處理期間會(huì)看到相同量的讀取噪聲。因此，SNR 增加了兩倍。如果合并四個(gè)像素，SNR 會(huì)增加四倍。

　　分箱的限制：不要超過(guò)您的滿(mǎn)井容量

　　那么我們可以看到，分箱是一種用分辨率換取噪聲性能的簡(jiǎn)單而有效的方法。不過(guò)，您確實(shí)必須采取一定程度的克制——這種提高 SNR 的方法有其局限性。

　　CCD 中的每個(gè)電荷保持位點(diǎn)都有一個(gè)滿(mǎn)阱容量（也稱(chēng)為阱深度），它指定了可以包含的電子數(shù)量。垂直合并將額外的電子（即，多于一個(gè)像素的電子）移動(dòng)到水平移位寄存器中，而水平合并將額外的電子移動(dòng)到輸出節(jié)點(diǎn)中。如果合并引入的電荷量超過(guò)滿(mǎn)阱容量，則會(huì)發(fā)生飽和并且圖像質(zhì)量下降。

　　實(shí)施 CCD 合并

　　讓我們簡(jiǎn)單看一下一些時(shí)序圖，它們說(shuō)明了控制信號(hào)和分級(jí)之間的關(guān)系。我們將使用來(lái)自 ON Semiconductor 的 KAI-1003 CCD 圖像傳感器的示例。

　　下圖顯示了標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)的樣子。

　　圖表取自KAI-1003 數(shù)據(jù)表。

　　V1 和 V2 脈沖代表垂直移位寄存器活動(dòng)：像素行向水平移位寄存器移動(dòng)。V1/V2 脈沖后面是 H 時(shí)鐘（H1A、H2A 等）上的（頻率更高）脈沖，用于控制水平移位寄存器。R（復(fù)位）時(shí)鐘在每個(gè) H 時(shí)鐘周期產(chǎn)生脈沖。該信號(hào)將電子從浮動(dòng)擴(kuò)散中清除，以便后續(xù)像素的電荷包可以移入。

　　下圖對(duì)應(yīng)于 2×2 合并，即，將四個(gè)相鄰像素的正方形組合成一個(gè)輸出值。

　　圖表取自 KAI-1003 KAI-1003 數(shù)據(jù)表。

　　V1/V2 被脈沖兩次，使得兩行像素在水平移位寄存器中組合。這樣就完成了垂直合并。

　　之所以會(huì)發(fā)生水平合并，是因?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)H1/H2 脈沖只有一個(gè)復(fù)位脈沖——水平移位寄存器在電荷被清除之前將來(lái)自?xún)蓚€(gè)像素的電子沉積到浮動(dòng)擴(kuò)散區(qū)中。

　　結(jié)論

　　合并是一種有用的技術(shù)，可以讓 CCD 實(shí)現(xiàn)更高的幀速率和更高的信噪比。我希望您現(xiàn)在了解成像系統(tǒng)為何采用分級(jí)、其實(shí)施方式以及滿(mǎn)井容量所施加的限制。