图像采集

一.图像采集装置

1.采集设备

采集数字图像,采集装置中一般有两种器件:
1.传感器:对某个电磁能量谱波段(X射线,红外线,紫外线,可见光)敏感的物理器件,并且可以把接受的辐射转换成与之成正比的电信号.
2.数字化器件:能将传感器传过来的但信号转化为离散的数字形式,从而输入计算机.
例如:常见的X光片是信号直接记录在胶片上的形式,若想要在图像处理中作为输入,那么还需要转化为离散的量.

2.常用采集装备-近年来广泛应用的主要是基于对光子敏感的’固态阵’的器件

• 电荷耦合器件(CCD):

CCD摄像机其中的固态阵是由称为感光基元(photosite)的离散硅成像元素构成的.这样的感光基元能产生与所接收的输入光强成正比的输出电压.
1.固态阵的组织形式:
①线性扫描器:只包含一行感光基元,它靠场景和检测器之间的相对运动来获得2D图像.
②平面扫描器:传感器由排成方阵的感光基元组成,可以直接得到2D图像.
2.特点:固态平面传感器的特点是具有非常快的快门速度(可以达到10^-4s),可以将许多运动定格下来.

• 互补性金属氧化物半导体(CMOS):

CMOS摄像机的传感器主要包括:传感器核心,模/数转换器,输出寄存器,控制寄存器,增益放大器等.
1.传感器核心中的感光像元电路的种类:
①光敏二极管型无源像素结构:无源像素结构由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成,当开关管开启时,光敏二极管与垂直的列线连通,位于列线末端的放大器读出列线电压.

②光敏二极管型有源像素结构:有源像素结构在像素单元上加入了有源放大器.

③光栅型有源像素结构:信号电荷在光栅下积分,输出前,将扩散点复位,然后改变光栅脉冲,收集光栅下的信号电荷转移到扩散点,复位电压水平与信号电压水平之差就是输出信号.

• 电荷注射器件(CID)

在CID摄像机的传感器芯片中,有一个和图像矩阵对应的电极矩阵,在每一个像素未知有两个隔离/绝缘的能产生电位阱的电极.其中一个电极与同一行的所有像素的对应电极连通,而另一个电极与同一列的所有像素对应的电极连通.如果访问像素,可以通过访问行列来实现.
1.CID三种工作模式
①积分模式:此时两个电极的电压均为正,光电子将会累加.如果所有行和列均保持正电压,则整个芯片将给出一副完整的图像.
②非消除性模式:此时两个电极的电压一个为正一个为负,为负的点击累加的光电子将会迁移到为正的电极下,通过迁移的脉冲,使读的时候也不会消除.
③消除性模式:两个电极电压均为负.累加的电子会流溢,并在电路中激发脉冲,但是这个过程将迁移来的光电子排出电位阱,所以可以用来清零.

• 优缺点

CMOS将整个系统集成在一块芯片上,降低了功耗,节省了空间,总体成本也更低,但是CMOS摄像机的噪声水平比CCD摄像机约高一个量级.CID摄像器件对光的敏感度要低很多.但是可以随机访问,和不会产生图像浮散等问题.

3.基本性能指标-对图像采集装置需要考虑的指标

①线性响应:指输入物理信号的强度与输出响应信号的强度之间的关系是否线性.
②灵敏度:绝对灵敏度可用所能检测到的最小光子个数表示,相对灵敏度可用能使输出发生一个级别的变化所需的光子个数表示.
③信噪比:指所采集的图像中有用信号与无用干扰的(能量或强度)比值.
④阴影(不均匀度):指输入物理信号为常数而输出的数字形式不为常数的现象.
⑤快门速度:对应每次采集拍摄所需时间.
⑥读取速度:指信号数据从敏感单元读取信号(传输)的速率.
⑦空间分辨率:根据传感器单元的大小和排布,采集到的图像的像素点个数.
⑧幅度分辨率:根据感光元件的灵敏度和设置的各级值区间,对于光源变化大小的可感受度.