圖1：整合了光學(xué)器件和顏色過(guò)濾器的圖像傳感器的常用排列

 

圖像傳感器是為滿(mǎn)足不同應用的特殊目標而設計的，它提供了不同級別的靈敏度和質(zhì)量。想要熟悉各種傳感器，可查閱其廠(chǎng)商信息。例如，為了在硅基模和動(dòng)態(tài)響應（用于實(shí)現光強度和顏色檢測）之間有一個(gè)最好的折中，對一個(gè)特定的半導體制造過(guò)程，需優(yōu)化每個(gè)光電二極管傳感器單位的大小和組成成分。

 

對計算機視覺(jué)而言，采樣理論的效果具有重要意義，如目標場(chǎng)景的像素范圍就會(huì )用到Nyquist頻率。傳感器分辨率和光學(xué)器件能一起為每個(gè)像素提供足夠的分辨率，以便對感興趣特征進(jìn)行成像，因此有這樣的結論：興趣特征的采樣（或成像）頻率應該是重要像素（對感興趣的特征而言）中最小像素大小的兩倍。當然，對成像精度而言，兩倍的過(guò)采樣僅僅是一個(gè)最低目標，在實(shí)際應用中，并不容易決定單像素寬度的特征。

 

對于給定的應用，要取得最好的結果，需校準攝像機系統，以便在不同光照和距離條件下確定像素位深度（bit depth）的傳感器噪聲以及動(dòng)態(tài)范圍。為了能處理傳感器對任何顏色通道所產(chǎn)生的噪聲和非線(xiàn)性響應，并且檢測和校正像素壞點(diǎn)、處理幾何失真的建模，需發(fā)展合適的傳感器處理方法。如果使用測試模式來(lái)設計一個(gè)簡(jiǎn)單標定方法，這種方法在灰度、顏色、特征像素大小等方面具有由細到粗的漸變，就會(huì )看到結果。

 

 

硅制圖像傳感器應用最廣，當然也會(huì )使用其他材料，比如在工業(yè)和軍事應用中會(huì )用鎵（Ga）來(lái)覆蓋比硅更長(cháng)的紅外波長(cháng)。不同的攝像機，其圖像傳感器的分辨率會(huì )有所不同。從單像素光電晶體管攝像機（它通過(guò)一維直線(xiàn)掃描陣列用于工業(yè)應用），到普通攝像機上的二維長(cháng)方形陣列（所有到球形整列的路徑均用于高分辨率成像），都有可能用到。（本章最后會(huì )介紹傳感器配置和攝像機配置）。

 

普通成像傳感器采用CCD、CMOS、BSI和Foveon方法進(jìn)行制造。硅制圖像傳感器具有一個(gè)非線(xiàn)性的光譜響應曲線(xiàn)，這會(huì )很好地感知光譜的近紅外部分，但對藍色、紫色和近紫外部分就感知得不好（如圖2所示）。

 

圖2：幾種硅光電二極管的典型光譜響應?？梢宰⒁獾?，光電二極管在900納米附近的近紅外范圍內 具有高的敏感度，而在橫跨400納米～700納米的可見(jiàn)光范圍內具有非線(xiàn)性的敏感度。 由于標準的硅響應的緣故，從攝像機中去掉IR濾波器會(huì )增加近紅外的靈敏度。（光譜數據圖像的使用已獲得OSI光電股份有限公司的許可）

 

注意，當讀入原始數據，并將該數據離散化成數字像素時(shí)，會(huì )導致硅光譜響應。傳感器制造商在這個(gè)區域做了設計補償，然而，當根據應用標定攝像機系統并設計傳感器處理方法時(shí)，應該考慮傳感器的顏色響應。

 

 

圖像傳感器的關(guān)鍵在于光電二極管的大小或元件的大小。使用小光電二極管的傳感器元件所捕獲的光子數量沒(méi)有使用大的光電二極管多。如果元件尺寸小于可捕獲的可見(jiàn)光波長(cháng)（如長(cháng)度為400納米的藍光），那么為了校正圖像顏色，在傳感器設計中必須克服其他問(wèn)題。傳感器廠(chǎng)商花費大量精力來(lái)設計優(yōu)化元件大小，以確保所有的顏色能同等成像（如圖3所示）。在極端的情況下，由于缺乏累積的光子和傳感器讀出噪聲，小的傳感器可能對噪聲更加敏感。如果二極發(fā)光管傳感器元件太大，那么硅材料的顆粒大小和費用會(huì )增加，這沒(méi)有任何優(yōu)勢可言。一般商業(yè)傳感器設備具有的傳感器元件大小至少為1平方微米，每個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商會(huì )不同，但為了滿(mǎn)足某些特殊的需求會(huì )有一些折中。

 

圖3：基本顏色的波長(cháng)分配。注意，基本顏色區域相互重疊， 對所有的顏色而言，綠色是一個(gè)很好的單色替代品

 

 

圖4顯示了多光譜傳感器設計的不同片內配置，包括馬賽克和堆疊方法。在馬賽克方法中，顏色過(guò)濾器被裝在每個(gè)元件的馬賽克模式上。Faveon傳感器堆疊方法依賴(lài)于顏色波長(cháng)深度滲透到半導體材料的物理成分，其中每種顏色對硅材料進(jìn)行不同程度的滲透，從而對各自的顏色進(jìn)行成像。整個(gè)元件大小可適用于所有顏色，所以不需要為每種顏色分別配置元件。

 

圖4：（左圖）堆疊RGB元件的Foveon方法：在每個(gè)元件位置都有RGB顏色， 并在不同的深度吸收不同的波長(cháng)；（右圖）標準的馬賽克元件：在每個(gè)光電二極管上面放置一個(gè)RGB濾波器，每個(gè)濾波器只允許特定的波長(cháng)穿過(guò)每個(gè)光電二極管

 

反向照明（back-side illuminated，BSI）傳感器結構具有更大的元件區域，并且每個(gè)元件要聚集更多的光子，因而在晶粒上重新布置了傳感器接線(xiàn)。

 

傳感器元件的布置也影響到顏色響應。例如，圖5顯示了基本顏色（R、G、B）傳感器以及白色傳感器的不同排列，其中白色傳感器（W）有一個(gè)非常清晰或非彩色的顏色濾波器。傳感器的排列考慮到了一定范圍的像素處理，如在傳感器對一個(gè)像素信息的處理過(guò)程中，會(huì )組合在鄰近元件的不同配置中所選取的像素，這些像素信息會(huì )優(yōu)化顏色響應或空間顏色分辨率。實(shí)際上，某些應用僅僅使用原始的傳感器數據并執行普通的處理過(guò)程來(lái)增強分辨率或者構造其他顏色混合物。

 

圖5：元件顏色的幾個(gè)不同馬賽克配置，包括白色、基本RGB顏色和次要CYM元件。 每種配置為傳感器處理過(guò)程優(yōu)化顏色或空間分辨率提供了不同的方法（圖像來(lái)自于《Building Intelligent Systems》一書(shū)，并得到Intel出版社的使用許可）。

 

整個(gè)傳感器的大小也決定了鏡頭的大小。一般來(lái)說(shuō)，鏡頭越大通過(guò)的光越多，因此，對攝影應用而言，較大的傳感器能更好地適用于數字攝像機。另外，元件在顆粒上排列的縱橫比（aspect ratio）決定了像素的幾何形狀，如，4：3和3:2的縱橫比分別用于數字攝像機和35毫米的膠片。傳感器配置的細節值得讀者去理解，這樣才能夠設計出最好的傳感器處理過(guò)程和圖像預處理程序。

 

 

當前，最先進(jìn)的傳感器每個(gè)顏色單元能提供至少8個(gè)比特位，通常是12～14個(gè)比特位。傳感器元件需要花費空間和時(shí)間來(lái)聚集光子，所以較小的元件必須經(jīng)過(guò)精心設計，以避免產(chǎn)生一些問(wèn)題。噪聲可能來(lái)自于所用的光學(xué)元件、顏色濾波器、傳感器元件、增益和A/D轉換器、后期處理過(guò)程或者壓縮方法等。傳感器的讀出噪聲也會(huì )影響到實(shí)際的分辨率，因為每個(gè)像素單元從傳感器中讀出再傳到A/D轉換器中，從而組成數字形式的行和列，以便用于像素轉換。越好的傳感器會(huì )產(chǎn)生越少的噪聲，同時(shí)會(huì )得到更高效的比特分辨率。Ibenthal 的工作是降噪方面的好文獻。

 

另外，傳感器光子吸收對每種顏色會(huì )有所不同，對藍色有可能有些問(wèn)題，即對于較小的傳感器成像而言這是最難的一種顏色。在某些情況下，生產(chǎn)商會(huì )試圖在傳感器中為每種顏色內建一個(gè)簡(jiǎn)單的伽馬曲線(xiàn)修正方法，但這種方法并不值得提倡。在對彩色有需求的應用中，可以考慮色度設備模型和顏色管理，甚至讓傳感器的每種顏色通道具有非線(xiàn)性特征并建立一系列簡(jiǎn)單的校正查找表（Lookup Table, LUT）轉換。

 

 

傳感器處理用于從傳感器陣列中去馬賽克并聚集像素，也用于校正感知瑕疵。在這一節我們會(huì )討論傳感器處理基礎。

 

通常在每個(gè)成像系統中都有一個(gè)專(zhuān)有的傳感器處理器，包括一個(gè)快速HW傳感器接口、優(yōu)化的超長(cháng)指令集（very long instruction word,VLIW）、單指令多數據流（single instruction multiple data, SIMD）指令以及具有固定功能的硬件模塊，這些功能是為了解決大規模并行像素處理所造成的工作負載。通常，傳感器處理過(guò)程透明且自動(dòng)化，并由成像系統的生產(chǎn)廠(chǎng)商設置，來(lái)自傳感器的所有圖像均以同樣的方式處理。也存在用于提供原始數據的其他方式，這些數據允許針對應用來(lái)定制傳感器處理過(guò)程，就像數字攝影那樣。

 

 

根據不同的傳感器元件配置（如圖5所示），可利用各種去馬賽克算法將原始傳感器數據生成最終的RGB像素。Losson &Yang還有Li等人分別給出了兩篇非常好的綜述文獻，這些文獻介紹了各種方法以及所面臨的挑戰等。

 

去馬賽克的一個(gè)主要挑戰之一是像素插值，其作用是將鄰近單元的顏色通道組合成單個(gè)像素。在給定傳感器元件排列的幾何形狀以及單元排列的縱橫比的條件下，這是一個(gè)重要的問(wèn)題。一個(gè)與之相關(guān)的問(wèn)題是顏色單元的加權問(wèn)題，如在每個(gè)RGB像素中每種顏色應該占多少比例。因為在馬賽克傳感器中，空間元件分辨率大于最終組合的RGB像素分辨率，某些應用需要原始傳感器數據，以便盡可能利用所有的精度和分辨率，或者有些處理要么需要增強有效的像素分辨率，要么需要更好地實(shí)現空間精確的顏色處理和去馬賽克處理。

 

 

像LCD顯示器一樣，傳感器也可能會(huì )有壞像素。通過(guò)在攝像機模塊或驅動(dòng)程序中提供需要校正的壞像素坐標，供應商可以在工廠(chǎng)校正傳感器，并為已知的缺陷提供一個(gè)傳感器缺陷圖。在某些情況下，自適應的缺陷校正方法會(huì )用在傳感器上，以便監控鄰近像素點(diǎn)來(lái)發(fā)現缺陷，然后校正一定范圍內的缺陷類(lèi)型，比如單像素缺陷、列或行缺陷以及類(lèi)似2×2或3×3的塊狀缺陷。為了實(shí)時(shí)尋找瑕疵，攝像機驅動(dòng)也可提供自適應的缺陷分析，在攝像機的啟動(dòng)菜單中可能會(huì )提供一個(gè)特殊的補償控制。

 

 

有必要進(jìn)行顏色校正以便平衡總的顏色精確度和白平衡。如圖1-2所示，硅傳感器上對紅色和綠色這兩種顏色通常很敏感，但是對藍色卻不敏感，因此，理解和標定傳感器是得到最精確顏色的基本工作。

 

大多數圖像傳感器的處理器包含了用于光暈校正的幾何處理器，這在圖像的邊緣表現為光照更暗。校正基于幾何扭曲函數，可考慮可編程的光照功能來(lái)增加朝向邊緣的光照，這需要在出廠(chǎng)前進(jìn)行標定，以便與光學(xué)的光暈模式相匹配。

 

 

鏡頭可能會(huì )有幾何相差或朝邊緣發(fā)生扭曲，產(chǎn)生徑向失真的圖像。為了解決鏡頭畸變，大多數成像系統具有專(zhuān)用的傳感器處理器，它有一個(gè)硬件加速的數字扭曲元件，類(lèi)似于GPU上的紋理采樣器。在工廠(chǎng)就會(huì )針對光學(xué)器件的幾何校正進(jìn)行校準并編程。