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1、基于CMOS图像传感器的数字影像系统中文摘要CMOS图像传感器是一种基于CMOS工艺的技术，在近十年来得到了迅猛的发展，作为影像采集系统的开发潜能日益呈现，它将图像像敏逻辑阵列、A/D转换、时序控制逻辑、行驱动器等几部分集成于同一个晶片上，与传统的CCD图像传感器相比，有着功耗低、集成度高、成本低等种种优点，因此，在民用、医疗、工业监控、航空航天等诸多领域都发挥着举足轻重的作用。所以，对CMOS图像传感器影像系统的开发设计研究，有着深远的意义。DSP作为高速的数字信号处理器，可以优秀的与CMOS图像处理器配合开发出高速度、高质量的影像采集处理系统，本文主要针对CMOS图像传感器的原理和特点，通
2、过对一款高性能摄像头控制DSP搭配CMOS图像传感器的硬件设计，作为CMOS图像传感器数字影像系统的开发基础进行研究。本文首先对CMOS图像传感器的发展进行概述，在详细介绍CMOS图像传感器的工作原理及特点之后，给出一款基于USB2.0的摄像头的电路设计，最后对该摄像头进行总体系统的信号测试，最后结果表明，该摄像头工作正常，达到了设计需求。关键词: CMOS；图像传感器；DSP。作 者： 指导教师： Cmos sensor based on the image of digital video systemsAbstractCmos image is a process based on th
3、e cmos in the last ten years to gain, as reflected in the development potential is a nice image, it will be a logical array, a conversion, timing control logic d, the drive for a few parts of the integrated in the same unit of the ccd, and traditional image sensor is power dissipation level of integ
4、ration high and low, and costs were low, all these advantages, therefore, civil, medical and industrial control, air space a field. Therefore, the cmos image of the sensor image design study is of far-reaching significance. Dsp as a high-speed digital the signal handler can be good image processing
5、cmos with a high speed, high quality image acquisition system. this article mainly aimed at the cmos image sensors and the characteristics of a high-performance cameras control dsp cmos image with the sensor hardware designs, for the cmos image of digital image sensor based research.The first pictur
6、e to the development of sensors cmos discussed in detail the sensor cmos image on the principle of operation and characteristics, giving a section on. 0 usb2 cameras in the circuit design, finally, the cameras on the overall system of signals, the test results showed that the camera zooms in working
7、 order; the design needs.Keywords: cmos ； image sensors ； dsp .Supervised by： ZhongxingrongWritten by：Wu qi 目 录第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 CMOS图像传感器的发展状况11.3 DSP简介21.4 课题研究的目的和意义31.5 本文主要工作及章节安排4第2章 CMOS图像传感器52.1 CMOS图像传感器的组成52.2 CMOS图像传感器的像素阵列62.2.1 无源像素传感器62.2.2 有源像素传感器72.3 CMOS图像传感器的基本工作原理72.4 CMOS图像传感器
8、的关键参数82.4.1 ISO感光度82.4.2 分辨率92.4.3 噪声特性92.4.4 暗电流102.4.5 快门模式102.4.6 动态范围102.5 CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较112.5.1 感光组件的区别112.5.2 性能差异112.6 本章小结13第3章 摄像头系统的硬件设计143.1 系统模块化硬件设计143.2 CMOS图像传感器143.2.1 条件和目标153.2.2 MICRON MT9M113简介153.2.3 MICRON MT9M113功能描述163.2.4 MT9M113控制信号与数据分析183.3 DSP的选择及相关参数193.3.1 DSP型号
9、的选择193.3.2 SN9C232B简介介绍203.4 镜头的选择213.5 电源设计213.6 外围电路设计233.7 硬件开发环境263.7.1 线路设计环境-ORCAD10.0简介263.7.2 电路板设计及成品实物263.8 本章小结27第4章 DSP软件整体设计284.1 DSP固件的功能介绍284.2 DSP固件设计284.2.1 DSP系统初始化284.2.2 CMOS图像传感器初始化程序294.2.3 I2C总线程序设计思想294.2.4 图像处理算法314.2.4.1 数字图像处理技术简介314.2.4.2 图像插值算法324.3 完整的信号处理总结334.4 本章小结34
10、第5章 硬件系统的信号测试355.1 关键信号测试355.1.1 I2C的clock、data信号355.1.2 行扫描与场扫描信号355.1.3 PIX Clock365.1.4 晶振震荡信号365.2 USB传输眼图测试375.2.1 眼图375.2.2 USB眼图测试结果375.3 本章小结37总 结38参考文献39攻读硕士学位期间公开发表的学术论文40致 谢41第1章 绪 论1.1 课题背景随着嵌入式系统的发展，数字化影像采集及处理系统越来越广泛的应用于生产生活与工作当中，在消费电子、医疗、工业监控、航空航天、军事等领域都可见其身影，如交通管理用的车辆监控摄像头，视频会议机，数码照相机
11、、摄像机等等，而随着芯片性能的高集成度，系统的整体体积也变得越来越小，这使得移动可视通讯技术迅速发展起来，手机、PDA及笔记本电脑上均大量使用了轻巧的高像素数字摄像头。图像传感器是数字摄像头的重要组成部分。 CMOS图像传感器是一种利用光电技术原理所制造的图像传感元件1，在两年前，数字图像采集系统一般还采用CCD作为成像器件，通过A/D转换器将CCD输出的模拟信号转化为数字信号再进行处理。这就使得系统的体积和成本都比较高。随着CMOS图像传感器电路消噪技术和制程的不断发展，其成像能力已经同CCD图像传感器不相上下，并且具有集成度高、直接输出数字信号、低成本、速度快、功耗低的优点，使其迅速得到应
12、用，对CMOS图像传感器进行功能性的应用开发，有着深远的意义。1.2 CMOS图像传感器的发展状况CMOS图像传感器的研究可以追溯到20世纪60年代末，诞生于20世纪70年代的美国航天（NASA）的喷气推进实验室（JPL），同CCD图像传感器几乎是同时起步，但是由于当时的工艺技术限制，所以70到80年代里，CCD一直占领主角地位不可动摇。直到90年代初期，CMOS图像传感器才开始得到发展，到目前为止，已经研发出三大类的CMOS图像传感器，即CMOS无源像素传感器（CMOS-PPS）、CMOS有源像素传感器（CMOS-APS）2和CMOS数字像素传感器（CMOS DPS）。在此基础上又问世了CM
13、OS视觉传感器(CMOSVisualSensor)、CMOS视网膜传感器(CMOSRetinalSensor)、CMOS应力传感器(CMOSStressSensor)、CMOS凹型传感器(CMOSFoveatedSensor)、对数极性CMOS传感器(Log-PolarCMOSSensor)、对数变换CMOS图像传感器(Logarithmic-ConvertingCMOSImageSensor)、单斜率模式CMOS图像传感器(SingleSlopemodeCMOSImageSensor)、轨对轨CMOS有源像素传感器(Rail-to-RailCMOSActivePixelSensor)和CMO
14、S指纹图像传感器(CMOSFingerffingSensor)、VMISCMOS图像传感器、FoveonX3全色CMOS图像传感器。进入90年代，由于对小型化、低功耗和低成本的成像系统要求越来越高，芯片的集成度和信号处理技术的迅猛发展，CMOS在客服了噪声大、色彩还原度等种种技术难关后，提高了工艺水平而迅速的发展起来，逐步踏入商业化应用领域2-5。国外众多公司和科研机构均在开发出多种类型的CMOS图像传感器和以CMOS图像传感器为核心的摄像系统。CMOS图像传感器的集成度较高，可以把整个系统都集成在单片上面，但是信号处理线路比较复杂，而且对于工艺制程的要求比较苛刻，多亏了如今单片集成大量晶体管
15、的技术已经很成熟，因此CMOS图像传感器正日益受到人们的重视6-7。时至今日，有源像素传感器（CMOS-APS）已经由最初的几万像素元、几十万像素元发展到如今的上千万像素元的图像传感器。用CMOS图像传感器开发出的大量数码照相机、摄像机和微型摄像头已经大量进入市场。高性能的元件和图像系统问世离不开工艺技术的制程，CMOS图像传感器是应用很成熟的集成电路工艺生产，归纳目前在开发的CMOS图像传感器产品的关键性先进技术如下：(1)相关双取样(Correlated Double Sampling)(2)微透镜阵列制备技术；(3)彩色滤波器阵列技术；(4)数字信号处理(Digital Signal P
16、rocessing)(5)抑制噪声电路技术；(6)模拟数字转换(A/D)技术8 依照2010年的市场形势来看，CMOS图像传感器在高端数码相机的占有率正逐步提高，佳能、尼康等公司新推出的所有相机均采用CMOS图像传感器，可见未来的市场是属于CMOS图像传感器的天下，CCD图像传感器不久将逐步走下舞台。1.3 DSP简介DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且
17、其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执
18、行9-11。自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。从制造工艺来看，1980年采用4m的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的500个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降12。作为CMOS图像传感器数字影像系统的控制模块，DSP是一个很好的选择。1.4 课题研究
19、的目的和意义CMOS图像传感器芯片技术的不断完善，其低功耗、自动计时、随时存取、无损读取和抗光晕、耐辐射等特点，决定了它本身潜在的市场价值及良好的发展前景。本课题旨在通过对一款基于CMOS图像传感器的数字摄像头的设计开发，来研究CMOS图像传感器的结构、原理，与计算机USB界面进行图像传输的性能，实现图像显示，以及DSP在该系统设计中的开发潜力，为后续进行CMOS图像传感器与DSP相结合的应用开发铺垫。1.5 本文主要工作及章节安排本文的主要工作在于，定位设计需求，选用合适的CMOS图像传感器、镜头、DSP、POWER IC，以及外围电路的相关器件，进行硬件电路上的设计，并对整个系统进行信号及
20、性能的测试，实现与计算机USB界面完成数据传输与图像显示的过程。从系统硬件开发到测试，实现视频采集及显示的完整性功能，到最后的测试，将全文分为5个章节：第1章 介绍了本课题的研究背景，以及CMOS图像传感器的发展状况，结合形势提出课题意义和应用价值，同时给出设计目标。第2章 讨论CMOS图像传感器的相关技术，包括整体结构组成、像素阵列结构以及功能结构和工作原理，介绍重要参数，及更确切的与CCD图像传感器的比较，通过以上的详细讨论，可以有助于对CMOS图像传感器的技术理解。第3章 本文的关键所在，详细介绍了基于CMOS图像传感器的摄像头开发设计总体方案，给出CMOS图像传感器、DSP、POWER
21、模块等电路设计及外围电路设计。第4章 针对本文所设计的摄像头系统的DSP软件设计的结构和中心思想进行简要的说明和讨论。第5章 主要对整个摄像头系统进行关键信号的量测，与USB界面的数据传输质量。 第2章 CMOS图像传感器2.1 CMOS图像传感器的组成CMOS图像传感器的原理如图2.1所示，通常由像敏单元阵列、行驱动器、列时序控制逻辑、A/D转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。图2.1中所示的像敏单元数组按X方向和Y方向排列成方阵，方阵中的每一个像敏单元都有它在X，Y各方向上的地址，并可分别由两个方向的地址译码器进行选择；每一列像敏单元都对应于
22、一个列放大器，列放大器的输出信号分别接到由X方向地址译码控制器进行选择的模拟多路开关，并输出至输出放大器；输出放大器的信号送给A/D转换器进行模数转换，经预处理器电路处理后通过接口电路输出3。Y地址译码器时序发生器接口电路预处理器A/D转换器 列放大器多路模拟开关X地址译码器输出图2.1 CMOS图像传感器原理图 图中的时序信号发生器为整个CMOS图像传感器提供各种工作脉冲，这些脉冲均可受控于接口电路发来的同步控制信号。图像信号的输出过程可由图中的图像传感器像元数组更清楚地说明，在Y方向地址译码器(移位寄存器)的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关，信号将通过行开关传送到列线，再通过X方
23、向地址译码器(移位寄存器)的控制，传送到放大器。由于设置了行与列开关，而它们的选通是由两个方向的地址译码器上所加的控制信号决定的。因此，通过采用X和Y两个方向的移位寄存器就可以实现逐行扫描或隔行扫描的信号输出方式。当然也可以通过只输出某一行或某一列的信号，使其按着与线阵CCD相类似的方式工作。在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其它数字信号处理电路，如自动曝光量控制、非均匀性补偿、白平衡处理、黑平衡控制和伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在同一芯片上，从而组成单片数字相机及图像处理系统。2.2 CMOS图像传感器的像素阵列CMOS图像传感器的像素
24、阵列由大量相同的像素单元组成，这些相同的像素单元是传感器的关键部分，CMOS图像传感器通常也是以像素的不同类型为标准进行分类的。前面第1章我们已经提到过，随着CMOS图像传感器的发展，可以细分为很多类，这里我们依照像素不同类型来分，就可分为两大类：一类是无源像素传感器（CMOS-PPS），另一类是有缘像素传感器（CMOS-APS）。2.2.1 无源像素传感器如图2.2所示，这是一个无源像素传感器的像素单元图，以及像素电压的输出电压随时间的变化曲线。图2.2 无源像素传感器原理图及输出电压在无源像素传感器的像素单元中包括一个光二极管(PhotoDiode)和一个MOS管，MOS管作为行选(Row
25、Seleet)开关。入射光照在光二极管上，使二极管负极的节点电压变化，当行选信号出现一个行选的脉冲时，MOS管导通，二极管上的信号电压经列线(ColBus)输出。由于这个像素单元的结构简单，其感光面积百分比可以达到很高，因而提高了其敏感度和集成度，但是它的噪声也很高，这在很大程度上影响了它的性能。2.2.2 有源像素传感器早期的无源像素传感器由于相当的噪声而限制了其发展，后来出现了有源像素传感器，如图2.3所示。图2.3有源像素传感器原理图及输出电压这种有源像素传感器的像素单元通常称为3-T(3-Trnasistor)结构，在像素单元中，除一个光二极管外，还包括一个重置(Reset)MOS管、
26、一个源极跟随器(Source Follower) MOS管和一个行选MOS管。光电二极管在重置信号的控制下每个工作过程经历两个周期-充电周期(ChasringPhase)和积分周期(nItgearotinPhase)，这两个周期在结束时各产生一个信号，经源极跟随器和行选开关无损耗地读出。由于有源像素传感器的像素单元包括更多的MOS管，其感光面积百分比较无源像素传感器为小，因而其敏感度和集成度都降低了，但是它对入射光产生的电信号所做的像素级的处理使其受后面电路的影响较小，同时噪声也被大大降低，因而在目前得到广泛的使用。2.3 CMOS图像传感器的基本工作原理一个典型的CMOS图像传感器的总体结构
27、如图2.4所示。CMOS imagesensor（影像感测元件）时序控制 可编程增益放大器模数转换器 输出存储器控制寄存器控制电路图2.4 CMOS图像传感器的基本结构在同一芯片上集成有模拟信号处理电路、I2C控制接口、曝光白平衡控制、视频时序产生电路、数字转换电路、行选择、列选择及放大和光敏单元阵列。芯片上的模拟信号处理电路主要执行相关双采样（CorrelatedDouble Sampling，CDS）功能。芯片上的A/D转换器可以分为像素级、列级和芯片级几种情况，即每一个像素有一个A/D转换器，每一个列像素有一个A/D转换器，或者每一个感光阵列有一个A/D转换器。由于受芯片尺寸的限制，所以
28、像素级的A/D转换器不易实现。CMOS片内部提供了一系列控制寄存器，通过总线编程（如Pc总线）来对自增益、自动曝光、白色平衡、校正等功能进行控制，编程简单、控制灵活。直接输出的数字图像信号可以很方便地与后续处理电路接口，供数字信号处理器对其进行处理。2.4 CMOS图像传感器的关键参数衡量CMOS图像传感器性能的参数有很多，如分辨率、感光度、暗电流、噪声特性、动态范围和快门方式等，这些参数对CMOS图像传感器的成像质量有直接的影响，下面对这些参数做简单的介绍。2.4.1 ISO感光度ISO值是用来表示传统相机所使用底片的感光度。所谓胶卷感光度是指胶卷对于光线的敏感度。当ISO数值愈大时，感光度
29、就愈大。通常我们拍照用的是ISO 100度胶卷，适用于一般光线较充足时的摄影；ISO 200度或ISO 400度等胶卷，由于感光度较高，适合微光中、动态下使用。 而数码相机ISO值，则是标示其测光系统所采用的曝光基准，相当于传统相机多少感光度的底片。因此，ISO值越低所需的曝光量则越高；反之，ISO值越高则所需的曝光量越低。有ISO 100、200、400(设定上是以0、0.1、+0.2来表示)，一般而言，若在室内使用闪光灯，配合ISO 200为最佳。 2.4.2 分辨率先来说一下像素： 像素，即是影像最基本的单位。也就是说将影像放大到不能再将它分割的影像单位。 而分辨率，是在一个特定的区域内
30、共有多少个像素单位，该词最早是用来说明工程中单位长度所撷取到点的数目，对应在单位上就成了dpi (dot per inch)。常见单位有：EPI:每一平方英寸共有多少单位数(element per inch)。 DPI:每一平方英寸共有多少点数(dot per inch)。 PPI:每一平方英寸共有多少像素数(pixel per inch)。 LPI:每一平方英寸共有多少条线(line per inch)。胶片式照相机一般使用35毫米的胶卷。解像度在数百万到一千万点。但是，胶片经镜头所拍下的成像。有时还比不上100万像素档次的数码相机。100万像素档次的数码相机，拍摄1024x768点阵的画像
31、，经高解像度的打印机打印，解像度为每毫米3到4点（解像度可用点数来表示）。另一方面，胶片经镜头所拍下的成像每毫米3-14点。受我们用肉眼所能鉴别的限制，这种程度的解像度没有太大的区别。 2.4.3 噪声特性由于数码相机本身采用大量的电子器材，所拍摄的影像质量很容易受到电子原件的电磁溢波干扰，CMOS图像传感器上残存的能量以及运作环境温度升高（机体运作时间过久）所产生的自然噪声。这些噪声会被纪录在你所拍摄的影像画面中，你可以透过单一色调的拍摄（黑色），如图2.5所示，观察图档边缘或是所拍景物锐利部分做为观察Noise的指标。 图2.5 噪声在单一色彩画面下的表现2.4.4 暗电流 所谓暗电流，就
32、是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量，一个被隔离的反向偏置的光电二极管即使在没有任何光照的条件下，也会产生放电现象13 。理想的CMOS图像传感器，它的暗电流应该是零，但是，实际状况是画素中的光电二极管是充当电容器，当电容器慢慢地释放电荷时，就算没有入射光，其电压也会与低亮度入射光的电压相当。因此，不能确定画素是否真正“看到了”某些景物，或是因为从暗电流中所累积的电荷。所以，暗电流是像素的噪声源之一，CMOS图像传感器的暗电流范围在0.075nA/cm22.0 nA/cm2以上。2.4.5 快门模式快门对于CMOS图像传感器而言是很重要的，通过电子快门的方式可以控制CMOS图像传感器的积分
33、时间。对于CMOS图像传感器而言，通常有两种快门的机制：卷帘式快门（Rolling Shutter）和全局式快门（Global Shutter）。根据快门方式有所不同，CMOS图像传感器的像素信号读取有两种方式，即扫描方式和随机读取方式，如图2.6所示。 （a） 扫描读取 （b）随机读取图2.6 CMOS图像传感器扫描方式以扫描方式来读取像素信号的CMOS图像传感器均是采用卷帘式快门方式，而采用随机读取方式的CMOS图像传感器则大都采用全局快门方式，同时也具备卷帘快门方式。2.4.6 动态范围图像传感器的动态范围通常可定义为：传感器最大的非饱和信号与暗条件下噪声均方差之比。一般来说，具有较宽动
34、态范围的传感器可以探测更宽的场景照度范围，从而可以得到具有更多细节的图像。CMOS图像传感器的动态范围一般依赖于其可分辨的最小信号和可测量的最大信号。最小可分辨的信号一般由噪声所限制，而最大可测量的信号与所采用的CMOS图像传感器的像元类型有关，如光敏单元面积、输出电压摆幅、势阱电荷容量等参数都直接影响动态范围。通常的CMOS图像传感器动态范围在6075 dB142.5 CMOS图像传感器与CCD图像传感器的比较在CCD图像传感器与CMOS图像传感器共同驰骋于数字影像产品开发的今天，我们需要搞清楚到底两者间有着怎样的异同，为何我们要发展CMOS图像传感器技术的应用，下面对两者在结构、参数及性能
35、等方面的比较，让我们了解两者间在开发应用的前景。2.5.1 感光组件的区别 放大器位置和数量:比较CCD图像传感器和CMOS图像传感器的结构，放大器的位置和数量是最大的不同之处 。CCD图像传感器每曝光一次，自快门关闭或是内部频率自动断线（电子快门）后，即进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器（电荷储存器）”中，由底端的线路导引输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC（模拟数字数据转换器） 输出；相对地，CMOS的设计中每个像素旁边就直接连着“放大器”，光电信号可以直接放大再经由总线通路移动至ADC中转换成数字数据，如图2.7所示为单一结构元比较。
36、图2.7 CCD图像传感器与CMOS图像传感器单一结构元比较2.5.2 性能差异由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现的不同点。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的数据。 整体来说，CCD图像传感器与CMOS图像传感器两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括ISO感光度、制造成本、分辨率、噪声与耗电量等，不同类型的差异： 1、ISO感光度差异：由于CMOS图像传感器每个像素包含了放大器与A/
37、D转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此在相同像素下，同样大小的感光器尺寸，CMOS图像传感器的感光度会低于CCD图像传感器。2、成本差异：CMOS图像传感器应用半导体工业常用的MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单芯片中，节省加工芯片所需负担的成本和良率的损失；相对地CCD图像传感器采用电荷传递的方式输出信息，必须另辟传输信道，如果信道中有一个像素故障，就会导致一整排的讯号堵塞，无法传递，因此CCD图像传感器的良率比CMOS图像传感器低，加上另辟传输通道和外加ADC等周边，CCD图像传感器的制造成本相对高于CMOS图像传感器。3、分辨率差异：在第1点“感光度差异”中，
38、由于CMOS图像传感器每个像素的结构比CCD图像传感器复杂，其感光开口不及CCD图像传感器大， 相对比较相同尺寸的CC图像传感器与CMOS图像传感器感光器时，CCD图像传感器感光器的分辨率通常会优于CMOS图像传感器。不过，如果跳脱尺寸限制，目前业界的CMOS图像传感器感光原件已经可达到1400万 画素/全片幅以上的设计，CMOS图像传感器技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅24mm-36mm这样的大小。 4、噪声差异：由于CMOS每个感光二极管旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的ADC放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或
39、多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD图像传感器，CMOS图像传感器最终计算出的噪声就比较多。 5、耗电量差异：CMOS图像传感器的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管做放大输出；但CCD图像传感器却为被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特（V）以上的水平，因此CCD图像传感器还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使CCD图像传感器的电量远高于CMOS图像传感器。 如图2.8，为CCD图像传感器与CMOS图像传感器内部结构示意图。图2.8 CCD图像传感器与CMOS图
40、像传感器内部结构示意图6、由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD图像传感器的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持数据的完整性；CMOS图像传感器的制程比较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。新一代的CCD朝向耗电量减少作为改进目标，以期进入手机摄像头的移动通讯市场；CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速图像处理芯片整合，借由后续的图像处理修正噪声以及画质表现，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。 2.6 本章小结本章主要介绍了CMOS图像传感器的基本结构，
41、工作原理，决定性能的基本参数，以及通过与CCD图像传感器的对比，得出以下结论：CMOS图像传感器分为有源和无源两种，而有源CMOS图像传感器则是目前应用最广泛的一种，它与CCD图像传感器相比，有着低功耗，直接数字量输出，灵活可变的控制式、单一电源、可随机开窗口读取数据等特点，成本上来看，比CCD图像传感器有着明显的优势，其应用的广泛性与未来的发展可想而知。第3章 摄像头系统的硬件设计本章将详细介绍CMOS图像传感器数字影像系统的硬件电路设计，从而为进一步研究积累相关设计经验。3.1 系统模块化硬件设计在硬件电路部分，我们先给出系统模块化的设计思想，这样可以使整个系统的结构更加清晰，在设计的方便
42、性和管理性来看都有突出的优势，且便于修改，便于系统的测试和调试14。首先给出系统的整体框图，框图中每个小的模块都将成为后续具体设计的重点，芯片和外围电路分开设计，使脉络更清晰，简单易懂。如下图3.1为系统整体框图。电源电路CMOS图像传感器芯片外围控制电路镜头DSP芯片控制单元电源/USB数据/USB图3.1 摄像头系统整体框图可以看到，整个框图有以上6个部分组成，CMOS图像传感器、镜头、芯片外围控制电路、DSP芯片控制单元、电源的电路部分，以及提供电源和数据传输的USB界面。外界光线通过光学镜头，将景物投射在CMOS图像传感器的感光元件上，在芯片外围控制电路和电源的驱动下，将光信号转化为相
43、对应的数字信号进行输出。3.2 CMOS图像传感器CMOS图像传感器是整个数字影像系统的眼睛，系统成像效果的好坏就全靠它了，所以，是整个系统的灵魂，直接决定了摄像头的性能，选择是很重要的。3.2.1 条件和目标本课题的设计目标是开发一款高画质、高速度的摄像头，所以在参数上需要满足两个条件：1. 高像素 2. 高帧率。另外体积上必须考虑，希望能够达到安装在移动PC上，所以体积一定要小，价格上当然也是需要考虑的，以上各条件要综合考虑。CMOS图像传感器像素的规格种类繁多，在网络带宽迅猛发展的今天，网络视频备受广大网友的青睐，30万像素的摄像头在像素点全开的情况下可以在网络上飞驰，但却不能满足人们配
44、合相关软件进行高清晰度的录像品质，所以，130万像素的摄像头将是我们的首选，综合平衡下来，决定采用MICRON公司的MT9M113 CMOS图像传感器。它的帧率可达到30Mp/s的速度。3.2.2 MICRON MT9M113简介MT9M113是美国MICRON公司为数字影像产品开发的高性能130万详述的CMOS彩色数字图像传感器，Micron（美国镁光）半导体是全球第二大内存芯片厂，是全球著名的半导体存储器方案供应商，是美国500强企业之一。、该芯片所支持的显示帧率（FPS）如表3.1和表3.2：表3.1 全速模式 USB1.1输出格式SXGASVGAVGACIFQVGAQCIFQQVGAY
45、UY21fps1fps1.5fps4.5fps6.5fps19.5fps26fps压缩模式1fps2fps3fps9fps13fps30fps30fpsMJPG模式30fps30fps30fps30fps30fps30fps30fps表3.2 高速模式 USB2.0输出格式SXGA SVGA VGA CIF QVGA QCIF QQVGA YUY2 9fps 25fps 30fps 30fps 30fps 30fps 30fps 压缩模式15fps 30fps 30fps 30fps 30fps 30fps 30fps MJPG模式30fps 30fps 30fps 30fps 30fps 3
46、0fps 30fps 由上表我们可以看出，该芯片支持7种分辨率的显示模式，完全可以满足用户的使用需求，其中使用较为频繁的分辨率应该是SXGA（1280x1024）和VGA（640x480）模式，支持8-54MHz的外部时钟频率，内置的10bit ADC，能够提供10位数字视频信号。另外该芯片还提供了输出像素时钟（PIXCLK）、行同步信号（LINE_VALID）和场同步信号（FRAME_VALID），可以同摄像头专用控制芯片DSP进行高速连接，并通过camera controller芯片与PC进行影像传输。 和LCD的结构相似，CMOS图像传感器上面也是一层类似彩色滤光片的东西，而该芯片采用的
47、滤光阵列将输入的光信号分解成RGB三原色，像素阵列共有1330x1044个，而有效显示像素为1280x1024=1 310 720个。之所以外围多设计一圈像素点，是为了避免边缘像素点在有缺陷的时候形成明显的显示缺陷。下面给出MT9M113的基本参数15：最大像素大小：1280x1024（SXGA）像素尺寸：1.75m x 1.75m有效像素区域：2.28mm x 1.83mm光学尺寸：0.16 inch（5:4）可选帧率：SXGA：15fps SVGA ：30fpsVGA /CIF /QVGA /QCIF /QQVGA：30fps 响应率：0.54 V/lux-sec (默认初始值)扫描模式：累进信噪
