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平衡数码相机的速度和分辨率 |
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作者：Petko Dinev |
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数码相机有两个关键的性能参数：以像素为单位的图像分辨率和获取图像的速度或帧频。然而，这两者是相互关联的——图像中的像素越多，获取图像的时间就越长，速度就会下降。对于特定的数码相机，为了适当地在分辨率和速度之间取得折中，需要从技术上对数字图像传感器的性能及其限制因素有全面的理解。
图像传感器
数码相机的核心部件是图像传感器，即电荷耦合器件（CCD）。隔行传输CCD本质上是像素（光敏像素）单元组成的阵列，它们将光子转换成电子并累积起来，然后通过读取操作使它们转移到邻近的单元中（垂直寄存器）。读取操作类似于把一个桶里的水全部倒入邻近的水桶中，CCD起到累积电荷的逻辑移位寄存器的作用。 
图1. 基本的CCD图像传感器利用一个屏蔽单元阵列（金色，构成垂直寄存器）从光敏单元或像素（白色）中接受图像数据。然后每个像素数据被运送到水平移位寄存器和相机的输出端口由放大器和A/D转换器处理。
CCD中的工作单元成链式连接（图1）。读出一帧图像首先要将累积的电荷从一行光敏单元转移到邻近的屏蔽单元中，这些屏蔽单元形成了一系列垂直移位寄存器。垂直寄存器连接到水平移位寄存器上，水平移位寄存器将电荷运送到传感器的输出端口，每个时钟脉冲处理一个单元里累积的电荷。输出端口的若干级放大器和模数（A/D）转换器把这些累积的电荷转换成二进制数。
读取时钟信号的正确顺序是首先把一行像素数据加载到水平寄存器中，然后将这行数据移位到输出端口。通过这种方法，传感器以行-列格式传输图像数据，每次传送一个像素。与此同时，光敏单元已经把形成下一帧图像的光电子收集起来。
尺寸越小，速度越快
限制像素时钟速率的主要因素是电荷转移的速度，它由电路中的电阻和电容决定，并根据加工工艺和像素尺寸的不同而有所区别。一般的规则是，对于一定的加工工艺，像素越小时钟速率就越快。对于现有的CCD传感器而言，典型的像素时钟速率从40到60兆赫兹不等。
另一方面，像素时钟速率又是决定传感器能够达到的帧频的因素之一。另一个决定因素是传感器的分辨率，或像素的数量。传感器像素越多，传输整幅画面需要的时间就越长。目前，隔行传输CCD典型的传感器分辨率从300,000 （300k）到1600万（16M）不等。
在图像分辨率和帧频之间取得折中并不像看上去那样简单，还需要仔细的考虑其它因素，包括传感器结构、动态范围和整个相机的成本等。这些因素之间是相互关联的，使得平衡分析更加复杂。
比如：像素尺寸不仅仅影响传感器的速度。像素越小，电荷的转移速度越快，但是产生和存储光电子的容量也越小。这一限制因素减小了传感器的动态范围，同时降低了信噪比和光灵敏度。
像素尺寸与光学元件的成本
像素越小，受到相机镜头系统造成像差的影响越大。结果，小尺寸的像素对镜头质量的要求更高，从而提高了相机的成本。大尺寸的像素往往能够免受较小像差的影响，但却使得最终传感器的尺寸较大。大传感器要求使用较大的镜头以保证在传感器上成像，这也提高了成本。于是像素尺寸对成本的影响形成了一条“浴缸形”曲线，这表明存在一个最佳的像素尺寸使得光学元件的成本最低（图2）。 
图2. 受相机光学元件性能的制约，相机系统的成本与传感器像素尺寸之间的函数关系在像素尺寸范围的两端都呈上升趋势。
此外，图像分辨率也会影响相机的成本。与大像素一样，高分辨率也会使传感器的尺寸较大，同时需要较大的镜头。与其他大的半导体器件一样，较大的传感器存在制造缺陷的可能性更大。这些缺陷降低了每个晶圆的产量，从而提高了传感器的成本。
尽管一个传感器能够容纳的像素数量没有上限，但CCD单元的电荷转移效率——即转移到邻近单元的电荷的百分比——成为大传感器的限制因素。如果转移效率偏离100%，则在每一级移位寄存器中都会损失一些电荷，这些残留电荷致使随后的画面上出现鬼影。
CCD传感器的转移效率以及它将光子转换成电子的效率由CCD的制造工艺所决定。每个传感器厂商都有其制造传感器的“独门秘方”，用以控制传感器的成本、尺寸、灵敏度和速度。因此，选择相机传感器时需要做出的权衡就因厂商而异，并随着技术的进步在不断地变化。
结构改善帧频
然而，需要考虑的不仅仅是传感器的物理特性。虽然较高的分辨率通常会使传感器的帧频下降，但帧频的降低也可以通过传感器结构来补偿。例如，一个传感器可以利用多个水平移位寄存器把图像分割成可以同时输出数据的小块（图3）。每个这样的小块提高了帧频，但却增加了额外的系统成本。每个小块需要独立的放大器和A/D转换器来读取像素数据。此外，这些像素读取部件会更加昂贵，因为需要仔细的对它们进行匹配以保持整个画面的均匀性。
图3. 对于给定的像素分辨率， 把一个数字图像传感器分割成多个配有独立移位寄存器的小块可以提高帧频。
以高分辨率摄影以及火箭喷气动力学研究等高速应用为目标的相机系统配有这种多块分割传感器。例如，有一家相机制造商可以提供配有16块分割传感器、速率为60帧/秒（fps）的800万像素照相机。一款100万像素的军用相机配有一个分割为64块的传感器，速率可达1000fps。
像素尺寸、分辨率、帧频以及系统成本之间的适当折中与具体应用有很大的关系（图4）。用于检测液晶显示器（LCD）玻璃面板的自动视频检查系统要求较高的分辨率以检测表面缺陷。然而，由于玻璃面板很难快速移动，因此相机无需很快的速度。另一方面，检测等离子体显示器玻璃面板中的间隔对速度的要求较高，而对分辨率的要求较为次要，因为每个显示器中有成千上万个间隔。在典型的机器视觉应用中，相机的速度决定了检测站的吞吐量，这将影响总的制造成本。例如，手机制造过程要求很高的分辨率和较高的速度以对含有小部件的电路板进行快速检测。 
图4.可以采用不同的帧频（fps=帧/秒）拍摄运动物体以改善图像分析。
可灵活配置的相机
有些时候可以灵活的改变相机配置以获得适当的折中。处理多种产品的生产线可能在一次运转中需要一架高分辨率相机，而在另一次运转中需要高速相机。幸运的是，可灵活配置的相机是可以实现的。这种相机允许使用者将其设定成不同的分辨率和速度。例如Imperx公司型号为IPX-4M15L的相机可以在400万像素的分辨率下以15fps的帧频运转，在200万像素下以30fps的帧频运转，或者在100万像素下以60fps的帧频运转。在需要改变相机配置的动态生产环境下，这样的相机使得使用者无需更换相机就可以调整检测系统以满足当前的需求。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/31/2010) |
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