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(多图) 如何让手机中CMOS影像传感器表现更好

Feisal Mosleh?? 安捷伦公司传感器解决方案全球战略营销经理?? 2005年06月01日 ?? 收藏0

  在摄像手机拍摄的每张精美影像的背后,都蕴含着无穷的电子、光学和机械魅力。整个过程安静恬淡,没有丝毫张扬,我们自然而然忽略了它的神奇。在此我们将探讨一下如何让摄像手机的CMOS(互补金属氧化物半导体)影像传感器表现得更好。


  影像的生成
  在使用数码相机或摄影手机时,光要通过由多个单元镜头和一个镜筒组成的光学系统,打在由行和列组成的数字传感器阵列上,这一阵列由几百万个微小像素组成。例如,1280×1024像素的传感器为1.3Mp传感器。图1为带有三个单元镜头的定焦摄像手机示例。


带有三个单元镜头的定焦摄像手机示例


  当光打在像素阵列上,它要通过彩色滤光片,确保只有蓝、红或绿色光到达每个像素上。在每个像素上,首先要生成一个模拟信号,该模拟信号通过模数转换器(ADC)转变为数字信号。这一信号然后被发送到我们称之为成像管道(Image Pipe 或I-Pipe)的地方。成像管道由一系列过滤处理器组成,这些过滤处理器会使信号看起来像真的图片一样。


摄像手机使用的基本功能块


  成像管道可调节白平衡和颜色并用“捕获方式”改变图片所带的某些异常情况,例如:镜头阴影、影像几何变形、偏离镜头中心时图片清晰度下降以及数字传感器噪声。安捷伦处理

器或成像管道也可以压缩影像,它将使用JPEG格式生成可以快速写入存储介质的影像,这一压缩影像文件较小,但很精确。临时存储区也称之为缓冲区,图片在被压缩以实现最终存储之前就保存在这里。图2所示为摄像手机使用的基本功能块。
  光线预处理:红外线滤镜的作用是挡住超过780nm的红外线并使光谱的可见光部分通过,从而确保传感器仅聚焦于肉眼所看到的事物,并优化色彩整合。如果不以这种方式将红外线挡住,这些红外线会使影像变得模糊不清,并会降低镜头所形成影像的清晰度。红外滤镜分为吸收型和反射型两种。在这个过程中,还使用显微透镜对昏暗的光线进行预处理,这样就可以将这些光线以尽可能垂直的方向准确折射成像。这个显微透镜可以增强像素的光学灵敏度,通常位于色彩滤镜阵列(CFA)之上。

由于人眼感应色彩的方式以及人眼对绿色的灵敏度是其对红色和蓝色灵敏度二倍这一事实,要模仿人眼的感应方式,相机需要使用更多的绿色像素来表现会被人们认为是正确颜色的影像。Bayer 模式交替使用一组红色和绿色滤镜以及一组绿色和蓝色滤镜,其中绿色像素的总数为红色和蓝色像素之和
数码相机中显微透镜和滤镜结构与传感器阵列结合使用的方式


  色彩滤镜阵列-Bayer滤镜:光电二极管只能感应光线亮度,不能感应色彩信息。因此,必须使用某种机制以人工的方式增强它对不同色彩的灵敏度,从而向人眼呈现不同的颜色。色彩滤镜阵列的作用是确保每个传感器像素只会收到一种颜色的光:通常是红蓝绿三种颜色。色彩滤镜阵列可以使用不同的模式。由于人眼感应色彩的方式以及人眼对绿色的灵敏度是其对红色和蓝色灵敏度二倍这一事实,要模仿人眼的感应方式,相机需要使用更多的绿色像素来表现会被人们认为是正确颜色的影像。Bayer 模式(图3)交替使用一组红色和绿色滤镜以及一组绿色和蓝色滤镜,其中绿色像素的总数为红色和蓝色像素之和。用Bayer滤镜制作的原始输出是红、蓝、绿三种颜色像素的相互镶嵌,但各种颜色像素的强度不同,这主要取决于光线照在某一特定像素上的角度。图4所示为数码相机中显微透镜和滤镜结构与传感器阵列结合使用的方式。
  Demosaicing:在用色彩滤镜阵列生成影像时,有4种不同的像素决定着每个像素的颜色。这就形成了一个不同色彩的组合,但看起来还不象一个真正的影像。为此,使用了一种算法。这种算法使用距离目标像素最近的像素的平均色彩值来尽可能完美地模拟目标像素的真正颜色。这种插入缺失值的方法称之为demosaicing。有多种demosaicing算法,例如双线性内插法。图5所示为使用Bayer色彩滤镜阵列模式对影像进行马赛克化的方式。
  白平衡:自动白平衡校正可以确保影像中的白色与观察者看到的真正的白色一样。图6中左侧的影像是在2856K卤钨灯照明的条件下拍摄的,但是对它进行了标准的自动白平衡处理。一个高级的自动白平衡(AWB)系统(如适用于摄像手机传感器的安捷伦I-Pipe),可根据影像拍摄的照明条件,使影像几乎呈现为真正的白色。图6中右侧的影像为经过改进的自动白平衡处理后的影像。


  影像还原:消除噪声和干扰
  在胶片的世界中,可以与噪声划等号的是胶片的颗粒度。在CMOS或CCD传感器中,有好几种不符合要求的噪声源。必须要消除这些噪声源或至少要减轻它们的影响。
  固定模式噪声(FPN):这种噪声会在每张拍摄的照片中产生同样的噪声模式。可以减轻这种噪声,具体方法为:在“黑暗”中读取照片(在无光的情况下曝光),然后用标准读数(正常曝光的情况下)减去这个结果。黑暗级的输出电流是指在没有照明的条件下所产生的平均输出级别。因此,它包含光电二极管的泄漏电流。视觉黑像素是指不参与感光的像素。人们常常用它作为参考像素,来查找黑暗电流并对它进行相应的校正。


使用Bayer色彩滤镜阵列模式对影像进行马赛克化的方式
左侧的影像是在2856K卤钨灯照明的条件下拍摄的,但是对它进行了标准的自动白平衡处理


  随机噪声:随机噪声是指周围环境产生的噪声。比如温度越高,离开轨道的电子就越多,同时还会在传感器中产生随机噪声信号。传感器电路散热或者环境温度升高都会加剧这种噪声。
  像素干扰(pixel cross t

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手机? CMOS? 影像传感器?

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