图像传感器

图像传感器

范良藻

　　图像传感器是传感技术中最主要的一个分支，是PC机多媒体大世界今后不可缺少的外设，也是保安监控产业中最核心的器件。在知识经济和信息社会已经到来的今天，它在我们的社会生活和个人生活中会有数不胜数的应用。
　　CMOS图像传感器和CCD摄像器件在20年前几乎是同时起步的。由于CCD器件有光照灵敏度高、噪音低、像素小等优点，所以在过去15年里它一直主宰着图像传感器市场。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素大、信噪比小、分辨率低这些缺点，一直无法和CCD技术抗衡。但是随着大规模集成电路技术的不断发展，过去CMOS图像传感器制造工艺中不易解决的技术难关现已都能找到相应解决的途径，从而大大改善了CMOS图像传感器的图像质量。目前CMOS单元面积的像素数已可与CCD单元面积的像素数相比，从而使CMOS图像传感器也可以做到高分辨率。如果能将CMOS黑白与彩色图像传感器的信噪比再提高10dB，光照灵敏度再提高4～5倍，那么CMOS图像传感器取代CCD器件就指日可待了。如果再考虑到CMOS图像传感器具有体积小、功耗低、高集成这些过去没有得到充分发挥的优点，在今后都能得到充分发挥，那么一个崭新的图像技术时代即将来临。据保守的估计，到2002年，CCD图像器件市场的一半将被CMOS图像传感器取代。
　　美国OmniVision公司在OV5006系列低分辨率（352×288像素）摄像头模块的基础上，经过多年的开发与研究，于1998年推出OV7500系列（彩色）和OV7000系列（黑白）模拟全电视信号输出CMOS图像传感器以及OV7600系列（彩色）和OV7100系列（黑白）数字输出CMOS图像传感器。这些CMOS图像传感器，不仅集成了全电视信号编码器（OV7500系列）和A/D转换器（OV7600系列），而且还集成了完整的彩色图像信号处理器，从而成为真正单芯片彩色图像传感器。OmniVision公司还在开发高分辨率（1024×768或1280×1024像素）的CMOS图像传感器。

数字/模拟混合彩色图像处理器
　　无论是CCD彩色图像传感器还是CMOS彩色图像传感器，都需要彩色图像处理器来完成自动白平衡、自动增益控制、自动曝光控制等图像处理工作以及RGB到YUV的图像格式转换工作。通常都是用DSP当作彩色图像处理器。实时彩色图像的数据率非常高，所以要求DSP的处理速度也非常高。高速的DSP功耗很大，产生的热量会影响CMOS图像传感矩阵的稳定性。高速的DSP还会引起很大的噪声，严重干扰CMOS图像传感矩阵的工作。因此，目前分辨率较高的实时彩色CMOS图像传感器件，多采用两片结构，把DSP做成另外一块电路。
　　OmniVision公司独创的数字／模拟混合彩色图像处理器，不仅处理速度高，而且功耗非常低，不会对CMOS图像传感矩阵造成干扰，因此可以和CMOS图像传感矩阵集成在同一块芯片上，成为像素达310K的单芯片彩色实时CMOS图像传感器。这样的模拟电路设计技术，不仅完全消除了由电路产生的固定图案干扰，而且大大地降低了随机干扰，提高了CMOS图像传感器感光灵敏度。传感器芯片内还集成了自动白平衡、自动曝光控制（电子快门）、自动增益控制、自动亮度控制等功能。
　　用户可以通过两种数字控制方法，改变CMOS图像传感器的缺省参数，使得CMOS图像传感器更符合具体应用环境的要求。其中一种方法是通过在一些引脚上外接上拉或下拉电阻改变缺省参数，另一种方法是通过I2C总线编程CMOS图像传感器内部的寄存器来改变缺省参数。由于CMOS图像传感器的引脚数量有限，前一种方法只能改变一些最常用的缺省参数。后一种方法则可以改变所有的缺省参数。
　　通过I2C总线直接编程CMOS图像传感器内部的寄存器，可以改变以下主要参数：（1）亮度、色度、饱和度、白平衡、电子快门、自动增益控制等；（2）窗口大小、位置。利用这个功能，可以方便地实现电子变焦和电子镜头摇动；（3）数字图像传感器的场频，从0.5场／秒到60场／秒；（4）扫描方式（选择隔行或逐行扫描方式）；（5）软件复位。通过I2C总线，复位图像传感器；（6）省电方式。
　　单芯片CMOS图像传感器，不仅芯片本身价格低，还大大简化了外围电路，外围电路仅由石英晶体、三端稳压块和阻容元件组成。用OmniVision公司的CMOS图像传感器组成的摄像头，总体成本也大大降低。
　　CMOS图像传感器采用了数字／模拟混合图像处理器，大大降低了图像处理部分的功耗。芯片内还有低功耗方式和待机方式，可以进一步降低功耗，非常适合在便携式设备中使用。

OV5006系列摄像头模块
　　OV5006系列CMOS摄像头模块包含两个子系列：OV5016子系列和OV5026子系列。其中OV5016子系列是兼容PAL制式的，OV5026子系列是兼容NTSC制式的。OV5006系列CMOS摄像头模块的性能指标如附表所列。它非常适合于安全监视、可视门铃、汽车后视、消费类电子产品、玩具、PC电视会议、可视电话、视频电子邮件、PC多媒体等需要高质量、低成本黑白图像的应用场合。

附表

	OV5016	OV5026
输出方式	黑白CCIR兼容（50Hz）	黑白EIA兼容（60Hz）
规格	1/3英寸CMOS图像传感器	1/3英寸CMOS传感器
像素	352×288	320×240
扫描方式	2：1隔行扫描	2：1隔行扫描
分辨率	优于255线（水平）	优于255线（水平）
视频输出	5Ω复合视频(1Vp－p)	775Ω复合视频(1Vp－p)
自动曝光控制	1／60至1／10000s	1／60至1／10000s
自动增益控制	18dB	18dB
伽玛校正	0.45／1.0	0.45／1.0
信噪比	>42dB(自动增益控制状态)	>42dB(自动增益控制状态)
灵敏度	0.5lx	0.5lx
工作电压	直流6～18V	直流6～18V
功耗	〈100mW（75Ω负载时）	〈100mW（75Ω负载时）

OV7600系列与OV7100系列图像传感器

　　OV7600系列和OV7100系列是完全可编程的数字单片摄像器件，其图像矩阵为640×480像素（307K）。这种通用的器件也可以320×240像素输出CIF图像格式（77K）。由于设计成方形像素和逐行扫描，OV7600和OV7100系列传感器芯片是特别为计算机应用而设计的。片上A／D转换器可提供8位并行数字输出，并百分之百地符合CCIR601／656规范。
　　OV7600和OV7100系列传感器芯片把所有摄像机功能同图像传感器阵列集成在同一个芯片上。标准的摄像机功能包括自动增益控制（AGC）、自动曝光控制（AEC）、自动白平衡（AWB）、伽玛校正、背光补偿和自动黑电平校正。所有的彩色矩阵处理功能也集成在芯片上。这两种器件允许从外部通过I2C总线来编程摄像机功能。
　　OV7600和OV7100系列这两种最新产品，代表了多种计算机视频应用中最好的低功耗低价位图像传感器。而且，它们与USB接口器件结合起来，均会产生一个适用于所有个人计算机视频输入应用的完美的低价位高质量USB摄像机。
　　这两个系列芯片的应用还包括电视机顶盒、可视电话、质量检查和智能保安监控系统。

OV7500系列和OV7000系列图像传感器
　　OV7500系列和OV7000系列是单片模拟摄像器件，芯片上带有两个可输出高质量隔行图像的全电视信号编码器，适合于闭路电视（CCTV）应用。NTSC制（60Hz）编码器输出每秒30帧508×492像素的图像（250K）。PAL制（50Hz）编码器输出每秒25帧628×582象素的图像（365K）。仅需要加上5V电源和时钟源，便可产生立即能接入电视机或录像机的标准NTSC或PAL全电视信号。
　　OmniVision公司的新单片模拟图像器件非常适合于许多应用场合，包括闭路电视系统、消费类产品、医疗仪器、计算机输入、保安、监视系统等等。CMOS图像传感器本身具有体积小、重量轻、功耗低、高可靠和低价格等优点。OmniVision公司独有的技术使得其CMOS图像传感器具有很宽的动态范围，能抗浮散，几乎没有拖影。
　　OV7500和OV7000的设计力求使有关图像的应用更容易实现。包括自动增益控制（AGG）、自动曝光控制（AEC）、自动白平衡（AWB）、伽玛校正、背光补偿和自动黑电平校正在内的许多功能都被集成在芯片上。OV7500系列还把全部的彩色矩阵处理电路集成在芯片上。片上的功能可以通过I2C总线接口来管理。
　　这两个系列的CMOS图像传感器为任何NTSC／PAL设备提供了高质量的图像捕捉能力，有很大的市场应用，如个人计算机、个人数字助理和其它手持设备、消费类产品、保安监控和机器视觉设备。

OV511　ACUB
　　OmniVision公司最近发布了OV511高性能摄像机到USB接口（ACUB）单片控制IC。它用于由通用串行总线传输的视频应用场合。
　　OV511ACUB降低了产品的成本，极大地简化了单片CMOS图像传感器（包括OmniVision公司的OV7600系列和OV7100系列）和USB的接口。仅增加256KDRAM和一个USB收发器，设计者可以很容易地完成基于USB的视频子系统。现在制造商们可以利用新一代个人电脑上带有的USB接口，开发出视频和图像外设。
　　OV511ACUB最大视频传输速度的设计，使得系统能够以更加实时的方式获取大量的视频信息。片内高性能专用压缩引擎可以达到7：1的压缩比，保证了从图像传感器到PC（控制器也支持在主机上的高速软解压）的快速图像传输。对于CIF图像格式，OV511
　　ACUB的压缩引擎支持高达30帧／秒的传输速度，减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。快速的准同步FIFO保证了压缩后视频图像从压缩引擎到USB的高速传输。
　　OV511ACUB提供了选择CMOS单片摄像输入器件的灵活性。有两个端口支持16位YUV4：2：2／RGB原始数据。第三个端口支持8位YUV4：0：0／RGB原始数据。控制线有VSYNC和HREF，同时提供了CMOS摄像芯片用的时钟。
　　作为高度集成的接口器件，OV511ACUB既降低了系统总成本，又提高了产品的可靠性。它还具有可以控制256K视频存储器的高性能DRAM接口、完整的USB设备控制器和系统控制器功能。片内寄存器通过I2C输入／输出接口或OV511ACUB并行I／O总线编程。软件与硬件同时控制的照相功能，可以在主机上设置好图像格式以后，由摄像机上的快门控制照相，而不是用主机上的鼠标控制照相。
　　OV511ACUB芯片作为图像传感器的补充，有足够的灵活性，适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等广泛的应用场合。

CMOS图像传感器的应用
　　目前CMOS图像传感器的图像质量仍稍逊于CCD器件。估计一年以后两者的图像质量就难分高下，至此凡是CCD器件已经占领的应用领域，CMOS器件统统可以占领。CCD器件由于功耗大、体积做不小等原因一直难以进入的应用范围，CMOS摄像器件无一不可逐一去占领。
　　北京千帆之家集团业已应用OmniVision公司的CMOS图像传感器开发了不少产品，而且还在继续开发产品。已开发成功的产品有：（1）超微型CMOS黑白摄像机（尺寸为16×16×12mm）；（2）微型CMOS彩色摄像机；（3）无线发射婴儿活动监视器；（4）汽车尾视装置；（5）汽车货柜监视器。正在开发的产品有：⑴超微型彩色CMOS摄像机（尺寸为22×22×14mm）；⑵汽车防盗图像发射和接收装置；⑶水下摄像机（带无线发射）。

　　编者附记本刊将在今后陆续推出CMOS图像传感器的具体应用方案。关于CMOS图像传感器的销售广告见57页。E－mail:[email protected]。