毕业设计（论文）光电模式识别研究.doc

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1、摘要光电模式识别通过光实现互连和运算，光电模式识别的基础与光学相关，是基于傅里叶变换系统和滤波函数概念的一种方法，传统的匹配滤波器由于其高鉴别率，已被应用于导弹、火箭的导航系统上。在实现结构方面则侧重可编程的联合变换相关器的研究。联合变换相关器已广泛应用在诸多领域，如彩色图像的识别，帧频移动测量，不透明粒子大小排序，图像检测分析等。此外，各种新方法也被不断的应用到光电相关模式识别的研究中。比如神经网络方法，模糊逻辑方法，小波变换方法，分数傅里叶变换，数学形态学方法等，使得其应用范围变得更加广阔。但是，这些方法的运用基本上是基于相关结构的。它们或是被用于相关运算前的特征提取和后处理上，或是依赖相

2、关器实现变换。视频（video）指动态图像（moving image），可以认为是随时间变化的静态图像系列（still-frame image/picture sequence）。在静态图像中，信息密度随空间分布，且相对于时间为常量；而动态图像的空间信息密度特征随时间变化。视频图像的数学表达式的一般形式可以写成S（x,y,t）。x,y为空间变量，t为时间变量，而S为对应于时空点（x,y,t）的光度学物理量。视频图像的主要获取途径是各种摄像机。摄像头分为真空光导体摄像头和CCD/CMOS摄像头。本课题使用CCD摄像头拍摄静态图像，并且进行形状识别。本课题主要完成了两个方面的任务：第一、 研究CC

3、D成像的基本原理，器件特点、颜色识别的基本规律。第二、 确定CCD颜色识别的方案，建立数学模型和计算机模型，编制计算机程序，用实验验证方案的正确性。关键词：CCD摄像头；图像；颜色；识别AbstractThe light electricity mode identifies to pass the light realizes to connect each other and calculate, the base of the light electricity mode identifies is related with optics, a kind of method to bas

4、e on the Philiyes transformation system and a filtrating wave function concept, match the filter traditionally because of its high discriminate rate, have been applied in the navigation system of the guided missile or rocket up. At realize the construction then lay particular emphasis on programmabl

5、e in association with the research of the united related machine in transformation. That is already extensive applied in many realms, such as the color picture identifies, moving measure the rate, opaque particle sub-size row preface, picture examination analysis, etc. In addition, every kind of new

6、 method were too applied to the light the electricity the related the research that mode identify the inside continuously. For example nerve network method, misty logic method, the small wave transformation method, the score Philiyes transformation, the mathematics morphology method etc., making its

7、 application become more vast. But the basic in application of these methods is base on related structural. They were used for the related calculate before extracting character and ending handle, or depend on the related machine realizes transformation.Video means moving image, it can think to still

8、-frame image/picture sequence at any time. In still-frame image/picture, the information density distributes with the space, and opposite in time is often constant; and the space information density characteristic of moving image is at any time a variety. The general form of video images mathematica

9、l can express S (x, y, t). X, y changes deal for the space, t changes deal for the time, and S is the amount of physics in the intensity of light that corresponding the times point (x, y, t). Its main way that all kinds of camcorder can obtain video image. The camcorder is divided into the vacuum li

10、ght conductor camcorder and CCD/CMOS camcorder. The CCD camcorder takes still-frame image in the task, and identifies the shape. The task completed two missions primarily:The first, study the basic regulation of CCD takes image, the basic principle of the machine characteristic and picture identify.

11、The second, certain project that the picture of CCD identify, establish the mathematics model and calculator model, compile calculator procedure, use the experiment to verify the accuracy of the project.Key words: CCD camcorder/ image/color/ identify 目 录引言 -51课题主要任务与要求-62方案设计-72.1 设计方案-72.2 出现的问题及解决

12、方法-83. 硬件介绍 -93.1 数码影像输入设备介绍-9 3.2 图像处理基本原理-203.2.1 光电成像系统-203.2.2 数字图像处理系统-203.2.3 彩色图像处理与颜色空间-223.2.4 彩色图像处理对颜色空间的要求-253.2.5 抽样与量化-253.3 我使用的摄像头-283.4 USB摄像头与计算机的连接原理-294. 软件说明-314.1 程序使用的语句，函数，对象介绍-314.2 程序使用的属性与事件介绍-314.3 程序流程图-34 4.4 源程序及注译-35 4.5 界面及操作方法-475. 结论-52谢辞-53参考文献-54附录-55引言 只有认真地使用了M

13、icrosoft Visual Basic for Windows可视化编程系统，才能真正想象开发一个多媒体项目的情况。Windows 编程支持传统的程序语言，因此绝大多数多媒体开发者转向选择更具通用性而少一些灵活性的创作系统。 VB是一个可以完全扩展的开发系统。几乎没任何不被VB本身所直接支持。要么以Windows动态连接库，要么以一个定制控件的形式提供。VB是一种真正的编程语言，它不但具备灵活性，还具有创作系统的简单性和快速开发的特点。 我利用了VB的特性编制了这个程序，符合了毕业设计的要求。1 课题主要任务与要求：1.1 任务：CCD颜色识别的研究：就是采用USB摄像头和计算机进行对某一

14、种特殊颜色的识别。1.2 要求：1） 选用USB接口的摄像头摄取图像并传送到计算机。2） 采用VB或其他多媒体软件进行图像的读取。3） 设计一个操作界面，要求简单明了。4） 要求能够选定要颜色的形状。5） 要求能够判断并指示符合条件的颜色。6） 数出符合条件颜色的斑块个数。7） 完成操作说明和软件说明。8） 根据课题任务和要求，做出可供演示的模拟样机。2.方案设计：2.1 设计方案：VB即Visual Basic，是在90年代由Microsoft公司推出的，以结构化BASIC语言为基础，以事件驱动作为运行机制的新一代可视化程序设计语言。它比传统的程序设计语言有明显的优势，且随着版本的改进，功能

15、越来越强大，不但可以作为多媒体软件制作工具、实现数据库管理，而且还具有网络功能等。VB提供了大量控件，可用于设计界面和实现各种功能，程序员可以通过拖放操作完成用户界面设计，不仅大大减轻了工作量、简化了界面设计过程，而且有效地提高了应用程序的运行效率与可靠性。VB是一套通用的程序开发工具，提供了各种常用的功能，如界面设计、计算与绘图、网络通信、数据访问和Internet访问等功能，但与其它开发工具相比仍具有一定局限性，更适合开发小型的Windows应用程序。VB 6.0是VB的最新版本，该版本在以前版本的基础上增强了数据访问（特别是远程数据访问）功能和Internet应用功能。VB的基本概念有对

16、象、控件、事件、属性、方法等。对象指程序处理的事物。VB 6.0提供了大量对象，如按钮、菜单、对话框等。程序员只需了解对象的功能和使用，而不必关心其内部实现机制。控件是对象的基本组成部分，也是开发的基础，一般包括属性、事件和方法。控件分为可直接从工具箱中选取的固有控件和使用前需首先将其加入工具箱的扩展控件。属性是控件的基本特性之一，决定控件的表现（如大小、颜色、位置、字体等）及功能（如使用协议等）。可以在属性窗口中或程序的适当位置修改属性。事件是控件对消息循环的响应，每一个事件对应不同的系统消息。在VB 6.0中，只能通过控件（对象）的事件获得系统消息。控件通过方法实现指定功能。方法由程序调用

17、，通知控件执行的操作。2.2 出现的问题及解决方法：在设计过程中出现了各种各样的问题，主要是对VB程序设计语言不够熟悉。1）主要问题如下：第一、 加载摄像头自带的应用程序时，不知道如何直接调用，以为要自己编译一个用来摄像的应用程序，但是这样做就加重了设计的复杂性，是不合理的。第二、 编译打开已经拍摄并存储下来的图像时，找不到存储路径。第三、 因为拍摄的图像是彩色的，我的设计也因此要对图像的颜色进行处理。想要把图像先进行灰度处理，然后再根据灰度阀值进行对比，找出一个中间的阀值，超出一定数值就置1，低于一定数值就置0。但是不知道如何才能找出一个中间的具有代表性的灰度阀值。第四、 如何利用灰度阀值进

18、行边缘的识别，也就是只显示出图像中物体的边缘形状，把包含在其中的其他灰度颜色全部去除，这样就基本完成了设计任务。2）解决方法如下：第一、 看书后学习到VB有一个语句“shell”是用来调用Windows内的应用程序的，只要找到该应用程序的路径就可以执行这个语句了。具体的使用方法为：shell “C:i-mageusbcam.exe”, vbnormalfocus第二、 仔细查找后知道，原来这个摄像头在拍摄图像后，就自动存储到自带的应用软件I-Mage的目录中了，具体的路径为：C:i-mageSnapshot 。第三、 经过向别人求教，知道了Windows自带的画图程序有把图像存储为黑白图像的功

19、能，这个功能就是利用自动设定的一个阀值127，这个阀值就是颜色数字化后的中间值，某个点的像素的值超过这个值就把它置位1，即白色的值；低于这个值就把它复位0，即黑色的值。这样就把图像变成了具有强烈对比的黑白图像。于是，根据这个指导思想，编译了黑白处理这个过程，放弃了以前的进行灰度处理过程，简化了程序设计过程。第四、 看书以及向别人求教，得到图像二值化的各种方法，利用二值化原理，改物体内部每一个点的像素值，只把边缘的点的像素值置位1或者复位0，这是因为考虑到背景颜色可能为黑或者白，所以设计了两种背景的处理，虽然是两种情况，但是处理的方法是一样的，只是把像素值进行对调就可以了。以上所列出的问题以及解

20、决方法只是这几个月进行学习VB 6.0程序编译以来遇到的主要问题。因为在图像方面遇到的问题比较简单，在看过相关的书籍后已经合理的解决了，所以不在这里列出来。在这之前还因为用过DELPHI 7.0进行这个设计的程序编译，也遇到了不少的问题，但是现在不再使用它来进行程序编译，所以也不在这里列出来。3.硬件介绍：3.1数码影像输入设备介绍：1）数码影像设备的感光媒体：数码影像设备的感光媒体也称为图像传感器，影像传感器或光电转换器。其作用的将接收到的光信号转换成相应的模拟电信号。目前，数码影像产品中使用的感光媒体主要有CCD（Charge Coupled Device ）电荷藕荷器件和CMOS（Com

21、plementary Metal Oxide Semiconductor）互补型金属氧化物半导体器件两种类型。感光媒体是数码影像设备的信号输入端，其质量的优劣将直接决定数码影像设备成像的质量。2）CCD器件：电荷藕荷器件简称CCD，是目前绝大多数数码影像产品所采用的图像传感器。它能将光信号转换成与之一一对应的模拟电信号。在一定单元面积的CCD器件上，诚矩阵排列的感光元件的数目越多，它所代表的图像象素点就越多，经光电转换后所重现的图像的清晰度也越高。1. CCD器件分类： 根据CCD器件的光敏成像单元的排列结构不同，CCD器件可分为线阵型CCD，面阵型CCD和蜂巢型CCD（SCCD）3种。 （1

22、）线阵型CCD器件 线阵型CCD器件的光敏成像单元呈单条直线形排列，在获取景物图像时，通常是在控制机构的作用下，匀速扫描景物的光像，每次获取景物图像中的一条线，然后再由图像信号处理电路按扫描顺序合成整幅图像。扫描速度越慢，所获得的景物图像的线数越多，重现图像的清晰度就越高。但要获得一幅完整的图像所需要的时间也就越长。 由于线阵型CCD的工作方式是以扫描的方式来获取图像，且扫描需要一定的时间。因此线阵型器件只能用于拍摄静止的图像画面，而不能用于拍摄活动图像，使其在数码影像设备中的应用受到一定的限制。线阵型CCD器件主要用于高分辨率的室内扫描型数码相机和扫描仪中，而不能用于摄像机和数字摄像头中。（

23、2）面阵型CCD器件 面阵型CCD器件的光敏成像单元呈二维平面矩阵形排列，平面矩阵中的每一个光敏成像单元代表图像中的一个像素点。当拍摄景物图像时，整幅景物图像同时曝光，当拍摄景物图像的光能量信息由面阵型CCD器件自动进行光电转换，产生代表景物图像亮度变化的模拟电信号，并在控制电路的作用下通过电子扫描的方法将CCD器件的模拟电信号按一定顺序输出，送到信号处理电路进行图像数据处理。因此，CCD矩阵中的光敏成像单元越多，它所代表的图像像素点就越多，重现的图像越能够表现出原景物图像的细节部分，所获得的图像的清晰度也就越高，面阵型CCD器件由于曝光成像的速度快，适合于拍摄活动图像，因而在摄像机和数字摄像

24、头中得到广泛应用。（3）蜂巢型CCD CCD器件的光敏成像单元的增加存在技术上的瓶颈-如果在一块面积固定的CCD器件上排列更多的光敏成像单元，即意味着每一个光敏成像单元的尺寸必须更小，由此带来的直接后果是光敏成像单元的灵敏读，信噪比以及动态范围等都将有所损失。因此，如果要保证获得一定水平的图像质量，CCD器件的光敏成像单元的数量就不能无限制的增加。如果在保证图像质量的前提下，进一步增加光敏成像单元的数目，以提高数码影像产品的成像质量，一直是数码影响设备生产厂家的研究方向，并取得了一定的成就，即根据入眼的视觉原理开发出了蜂巢型CCDSuper CCD（SCCD）。2. 工作原理： （1）CCD器

25、件的结构和光电转换原理： CCD是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。图4-1是CCD器件一个电极的基本构造。在P型（或N型）硅单晶体的衬底上生长一层很薄的优质二氧化桂（SiO2），再在其上蒸发一层以很小间距排列的铝电极条。在电极上适当的正偏压（或负偏压）时，它形成的电场穿过SiO2薄层排斥P型（或N型）硅中的多数载流子（即电荷），于是在电极下形成一个电荷耗尽区，而在SiO2-Si的界面上得到一个能够储存少数载流子的势阱。所加偏压越大，势阱就越深。SiO2电极P型Si电荷耗尽区光 图41 单个CCD电极的基本构造图 通过CCD器件，将光学镜头聚焦后的图像光信号转换成相应的电信号，再经过

26、A/D转换电路转换成数字信号送到存储单元保存起来。当被摄图像的光经过镜头汇聚在CCD器件上成像时，每个光敏成像单元在强弱不同的光照射下产生与之相对应的不同数量的电荷。通过译码电路，可以得到从每一个光敏成像单元上藕荷输出的电荷而形成电流，电流经A/D变换即形成一个二进制数字信号。该数字信号即对应于景物图像的每个像素点。上百万像素点的数字量的集合，即构成了数字图像。下面讲述如何进一步处理和保存这些数字图像信号。 （2）CCD器件的工作过程： 为了详细说明CCD器件如何实现光电转换，以及信号处理电路如何从CCD器件中读取代表图像的电信号。下图4-2所示的三相CCD（即假设CCD的结构像一排排输送带上

27、并列放置的小桶，每一个小桶就是一个CCD电极下的势阱。景物图像的光像雨滴撒入各个小桶中，每个小桶代表被拍摄景物图像的一个像素。快门从开启到关闭的拍摄过程，其实就是按一定的顺序测量在某一短暂时间中，每个小桶中落进多少“光滴”，并将其转换成相应的电信号，经电路处理后形成相应的图像数据文件，一般的CCD对每种基色（一般采用红，绿，蓝）的亮度用8位二进制数据来记录，即其小桶上的刻度是3*8=24格。也有用10位甚至12位进制数据来记录基色信号，更高的色彩位数在记录彩色时就会更精确，尤其是在光线条件比较差时，能够记录下丰3个控制电极的CCD）为例说明其工作原理。 42 （a） 42（b） 42（c） 4

28、2（d）在3个控制电极上分别加上如图4-2（a）所示的三相电压时钟脉冲V1，V2，V3。脉冲的周期为T。CCD器件的工作过程可分为下面两个步骤： 1）光电转换与信号电荷的积累。假设在某一时刻t1，V1为较高电位，V2，V3为低电压位，如图4-2（a）所示。则在具有V1电位的各电极下形成较深的势阱，如图4-2（b）。因此，当硅晶体受到景物光像照射而产生电子-空穴对后，少数载流子（即自由电荷）在电场作用下被吸引到较深的势阱中（故势阱也称为电荷包）。而势阱中所捕获的电荷树木的多少与该处照射光的强弱成正比。每个电极下的电荷包对应于景物图像的一个像素点。可见，景物的光像已经转变成了存储在CCD器件中的由

29、积累电荷所描绘的电子图像。从而完成了光电转换与电荷积累的过程。 2）信号的读出。为了按扫描顺序取出每个代表景物图像内容的电荷包而形成图像电信号，三相CCD采用了如图4-2（a）所示的三相驱动时钟脉冲（或称寻址转移信号）。当电荷积累过程结束后，由t=t2开始V1的电位下降，而V2的电位变为最大，于是电荷包从电位为V1的各电极下向电位为V2的各电极下的最深势阱转移，如图4-2（c）到t3时刻，电荷包全部转移完毕。然后，当V2的电位下降而V3变成最大时，电荷包又从V2电极下转移到V3电极下。以此类推，每经过时间T（时间脉冲周期），电荷包就完成转移一个像素的全过程。 由此说明，三相时钟脉冲可保证电荷包

30、做定向转移。而电荷藕荷器件CCD实质上也是一种移位寄存器。当电荷从CCD器件开始端依次传送到CCD器件的末端时，可通过反向偏置的PN结收集，并经放大器（放大器也可以集成在同一硅片上）顺序读出图像电信。 （3）CCD器件的电荷转移方式： CCD器件的电荷转移方式也称为信号读出方式。根据其结构不同，可分为帧转移方式，行间转移方式和帧-行间转移方式3种。其中，行间转移方式又分为隔行扫描方式和逐行扫描方式。 1）帧转移方式： 帧转移方式（Frame Transfer）简称FT。其结构如图4-3所示。它由成像区，存储区和移位寄存器3部分组成。这种结构方式的特点是将成像区和存储区单独分开，各自发挥其作用。

31、因而，它需要的时钟系统也比较简单。 4-3 FT方式结构图 4-4 ILF方式结构图 其优点是：1电极结构简单，容易操作。 2可以将像素做得更紧密，以得到比较高的分辨率。 3由于成像区全部进行了光电转换，因而灵敏度比较高。 其缺点是： 1由于成像区和存储区占据同样的芯片面积，因而器件面积较大。 2会产生严重的高亮度垂直拖尾，因此一定要使用光闸（俗称快门装置） 2）行间转移方式： 行间转移（Inter Line Transfer）简称ILF方式。与帧转移方式有明显的不同它将帧转移方式的感光区和存储区的2个芯片合并在一起。在一块CCD芯片上完成感光，存储和读出功能。其原理图如图4-4所示。 其优点

32、是： 1结构简单，不需要单独的存储芯片，整个芯片表面积比帧转移方式小。 2每个独立单元中的感光部分彼此独立，有可能取得较高的空间频率。 3.经过对芯片的不断改进，在正常的光照度在的垂直拖尾将大大减轻。 其缺点是： 1为了避免光从屏蔽区两侧漏进存储区，一般要使屏蔽层的宽度大于存储区的宽度，为此，总的感光面积会减小，灵敏度会较低。 2在强光照射下，会出现明显的垂直拖尾现象。 3）帧行间转移方式： 帧行间转移方式简称FIT方式，是帧转换方式和行间转移方式的结合。它吸收了两者的优点，克服了两者的主要缺点，从而使CCD图像传感器的性能得到进一步的改善。如图4-5所示。 4-5 FIT转移方式3.CCD彩

33、色图像传感器： CCD是将3行彩色滤波器嵌在CCD元件上，每个滤波器分离出一个不同的基色，但由于CCD可同时捕捉到所有的3基色，这就消除了分色问题，并加快了实际图像信号拍摄速度。当然，这类系统的速度仍然较慢，不能用于快速照相机和摄像机。 阵列型CCD数码相机处理彩色的方法：是将彩色滤波器嵌在CCD矩阵中，使相近的像素具有不同的彩色滤波器。在记录相片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获得信号并与最接近它的颜色的点取期间只能将光的强弱变成相应的电荷积累多少，而不能识别图像的颜色。为了获得彩色图像，光线必须在到达CCD前经过一组彩色滤波器。每个彩色滤波器可分离出组成彩色图像的红，绿，蓝3基色中的

34、一种颜色。所以，在实际应用时需要加上彩色滤镜阵列（Color Filter Array ，CFA），一般是在CCD器件表面的滤镜层涂上不同的颜色。 面阵型CCD彩色滤镜阵列，通常是在滤镜上将不同的色块按GRGB（绿-红-绿-蓝）的顺序像马赛克一样排列，使每一片“马赛克”下的像素能感应不同的颜色光，如图4-11所示。 线阵型CCD使用3线CCD处理彩色。它实际上平均值，对中间点进行估算。该方法允许瞬间曝光，微处理器处理的速度非常快，惟一的不足是所生成的图像有点模糊。因为其中含有数学计算。3）CMOS器件：1.COMS简单介绍：CMOS图像传感器和CCD摄像器件几乎是同时起步的。由于CCD器件具有

35、感光灵敏度高，噪音低，像素点小等优点，所以一直主宰着图像传感器。与之相反，CMOS图像传感器过去存在着像素点大，信躁比小，分辨率低等缺点，一直无法与CCD技术抗衡。随着大规模集成电路技术的不断发展，从而CMOS图像传感器的图像质量。目前，CMOS单元面积的像素数已经可以与CCD单元面积的像素数相当，从而使CMOS图像传感器也可以作到具有较高的分辨率。COMS是互补金属氧化物半导体器件。它的光电转换原理与CCD相似，主要区别在于光电转换后的传输方式不同。CMOS具有读取方式简单，输出信息速度快，耗电省（仅为CCD芯片的1/10左右），体积小，重量轻，集成度高，价格低等特点，是未来数码影像设备理想

36、的成像芯片。但要达到CCD芯片的成像质量，还需要一段时间的开发研究。目前，数码影像设备多采用面阵CCD光电转换器件，由于其制造成本高，而且数码影像设备的制造商大多采用了专用的CCD，所以价格一直居高不下，近年来，面阵型COMS光电转换器件得到了一定发展，对开发使用，价廉，小体积的数码影像设备非常有利。2.CMOS像素结构：CMOS摄像器件的像素结构可分为无源像素型（PPS）和有源像素型（APS）（1）无源像素结构无源像素结构如下图所示，它由一个反向偏置的光电二极管和一个开关管构成。当该像素被选中激活时，开关管Tx选通，光电二极管中由于光照产生的信号电荷通过开关管到达列总线，在列总线下端有一个电

37、荷积分放大器，该放大器将信号电荷转换为电压输出。列总线下的放大器在不读信号时，保持列总线为一常数电平。当光电二极管存储的信号电荷被读取时，其电压被复位到列总线电平。无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。（2）有源像素结构在像元内引入缓冲器或放大器可以改善像元的性能，像元内有有源放大器的传感器称有源像素传感器。由于每个放大器仅在读出期间被激发，所以CMOS有源像素传感器的功耗比较小。但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20

38、%30%。在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。光电二极管型有源像素（PP-APS）的结构如图所示，有源像素单元由光电二极管、复位管RST、漏极跟随器T和行选通管RS组成。光照射到光电二极管产生信号电荷，这些电荷通过漏极跟随器缓冲输出，当行选通管选通时，电荷通过列总线输出，行选通管关闭时，复位RST打开对光电二极管复位。CMOS光电二极管型APS适宜于大多数中低性能的应用。光栅型有源像素结构（PG-APS）如下图所示，由光栅PG、开关管Tx、复位管RST、漏极跟随器T和行选通管RS组成。当光照射像素单元时，在光栅PG处产生信号电荷，同时复位管RST打开，对势阱进行复位，复位完毕，复

39、位管关闭，行选通管打开，势阱复位后的电势由此通路被读出并暂存起来，之后开关管打开，光照产生的电荷进入势阱并被读出。前后两次读出的电位差就是真正的图像信号。光栅型有源像素CMOS的成像质量较高。图中二极管均为光电二极管 VDD VDDTx T RST RST T 列线 列线 列 RS RS 线光电二极管无源像素结构 光电二极管有源像素结构 光栅型有源像素结构CMOS像素结构3. CMOS摄像器件的总体结构 像素阵列 模拟信号处理器ASP 列平行A/D 输出 CMOS摄像器件的总体结构框图如下图所示,一般由像素(光敏单元)阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、模拟信号处理器（ASP）和A/

40、D变换等部分组成。其工作过程是：首先，外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到相应的模拟信号处理器（ASP）及A/D变换器，转换成相应的数字图像信号输出。行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。CMOS摄像器件的总体结构4.CMOS与CCD器件的比较CCD和CMOS摄像器件在20世纪70年代几乎是同时起步的。由于CCD器件有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小

41、等优点，因而在随后的十几年中一直主宰光电摄像器件的市场。到20世纪90年代，CCD技术已比较成熟，并得到非常广泛的应用。与之相反，CMOS器件在过去由于亚微米方法所需要的高掺硅所引起的暗电流较大，导致图像噪声较大、信噪比较小；同时CMOS存在着如光电灵敏度不高、像素面积大、分辨率低等缺点，因此一直无法和CCD技术抗衡。随着CCD应用范围的扩大，其缺点逐渐显露出来。CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能。这些功能包括A/D转换器、精密放大器、存储器、运算单元等功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成（VLSI）技

42、术兼容，制造成本比较高。与此同时，随着大规模集成电路技术的不断发展，过去CMOS器件制造过程中不易解决的技术问题，到20世纪90年代都开始找到了相应的解决办法，从而大大地改善了CMOS的成像质量。CMOS具有集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵敏度，那么CMOS器件有可能在中低档摄像机、数码相机等产品中取代CCD器件。3.2 图像处理基本原理：3.2.1 光电成像系统：光电成像系统按波长可分为可见光（含微光条件）、紫外光及红外光光电成像系统。光电成像系统所涉及的复杂的信号传递过程一般可用下图来表示，可见成像转换过程有四个方面的问题需要研究。首先是它的能量方面，也就是物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题；其二是它的成像特性方面，也就是它能分辨的光信号在空间和时间方面的细