数码相机中的图像传感器和信号处理PDF电子书下载

第1章 数码相机概览 1

1.1 什么是数码相机 1

1.2 数码相机的历史 2

1.2.1 早期概念 2

1.2.2 索尼Mavica 3

1.2.3 静态视频相机 4

1.2.4 静态视频系统为什么会失败 5

1.2.5 数码相机的黎明 5

1.2.6 卡西欧QV-10 6

1.2.7 像素数量之战 6

1.3 数码相机的类型 7

1.3.1 傻瓜式相机 7

1.3.2 单反相机 9

1.3.3 数码后背 9

1.3.4 玩具相机 10

1.3.5 可拍照手机 10

1.4 数码相机的基本结构 10

1.4.1 数码相机的典型框图 10

1.4.2 光学系统 11

1.4.3 成像器件 11

1.4.4 模拟电路 11

1.4.5 数字电路 11

1.4.6 系统控制 11

1.5 数码相机的应用 12

1.5.1 新闻摄影 12

1.5.2 印刷出版 13

1.5.3 网络应用 13

1.5.4 其他应用 13

第2章 数码相机中的光学系统 14

2.1 光学系统基础及光学性能评价标准 14

2.1.1 光学系统基础 14

2.1.2 调制传递函数和分辨率 18

2.1.3 像差和点列图 19

2.2 数码相机中光学系统的特点 21

2.2.1 数码相机成像光学系统的配置 21

2.2.2 景深和焦深 21

2.2.3 光学低通滤波器 23

2.2.4 衍射的影响 24

2.3 数码相机成像光学系统设计的几个重要方面 25

2.3.1 设计过程举例 25

2.3.2 玻璃材料的选择 27

2.3.3 有效利用非球面透镜 28

2.3.4 镀膜 29

2.3.5 抑制变焦镜头出射光线的角度波动 31

2.3.6 设计中对大批量生产过程的考虑 32

2.4 数码相机成像镜头变焦类型及其应用 33

2.4.1 视频变焦类型 33

2.4.2 多组移动变焦镜头 34

2.4.3 短变焦镜头 34

2.5 总结 35

参考文献 35

第3章 图像传感器基础知识 36

3.1 图像传感器的功能 36

3.1.1 光电转换 36

3.1.2 电荷收集与积累 38

3.1.3 成像阵列的扫描 39

3.1.4 电荷检测 40

3.2 像素中的光电探测器 41

3.2.1 填充因子 42

3.2.2 彩色滤光阵列 42

3.2.3 微型透镜阵列 43

3.2.4 SiO2/Si接触面的反射 44

3.2.5 电荷收集效率 44

3.2.6 满阱容量 45

3.3 噪声 45

3.3.1 图像传感器中的噪声 45

3.3.2 固定模式噪声 46

3.3.3 暂态噪声 50

3.3.4 拖尾和高光溢出 52

3.3.5 图像拖影 53

3.4 光电转换特性 53

3.4.1 量子效率和响应率 53

3.4.2 光电转换特性机理 54

3.4.3 灵敏度和信噪比 57

3.4.4 如何提高信噪比 58

3.5 阵列的性能 58

3.5.1 调制传递函数 58

3.5.2 图像传感器的MTF 59

3.5.3 光学黑色像素和伪像素 60

3.6 光学格式和像素大小 60

3.6.1 光学格式 60

3.6.2 像素大小的考虑 61

3.7 CCD图像传感器与CMOS图像传感器的对比 62

参考文献 63

第4章 CCD图像传感器 66

4.1 CCD基础 66

4.1.1 电荷耦合器件的概念 66

4.1.2 电荷转移机制 67

4.1.3 表面沟道与掩埋沟道 68

4.1.4 典型的结构和工作方式（两相和四相时钟） 73

4.1.5 输出电路和降低噪声：浮置扩散电荷检测和相关双采样 74

4.2 CCD图像传感器的结构和特性 76

4.2.1 帧转移CCD和行间转移CCD 76

4.2.2 p衬底结构和p阱结构 78

4.2.3 抗高光溢出和低噪声像素（光电二极管和VCCD） 79

4.2.4 CCD图像传感器的特性 81

4.2.5 工作方法与功耗 84

4.3 数码相机的应用 85

4.3.1 数码相机的应用需求 85

4.3.2 隔行扫描和逐行扫描 86

4.3.3 成像操作 89

4.3.4 像元交叉阵列结构CCD（超级CCD） 90

4.3.5 高分辨率的静止图片和高帧率的视频 94

4.3.6 利用CCD图像传感器的系统解决方案 97

4.4 发展前景 98

参考文献 99

第5章 CMOS图像传感器 102

5.1 CMOS图像传感器简介 102

5.1.1 CMOS图像传感器的概念 102

5.1.2 基本结构 104

5.1.3 像素寻址和信号处理结构 106

5.1.4 卷帘式快门和全局快门 107

5.1.5 功耗 109

5.2 CMOS有源像素技术 110

5.2.1 PN光电二极管像素 110

5.2.2 钳位光电二极管像素 112

5.2.3 其他大画幅、高分辨率CMOS图像传感器的像素结构 116

5.3 信号处理和噪声特性 117

5.3.1 像素信号读出和FPN抑制电路 117

5.3.2 模拟前端 119

5.3.3 CMOS图像传感器的噪声 120

5.4 CMOS图像传感器的DSC应用 122

5.4.1 片上集成和DSC产品分类 122

5.4.2 拍摄静态图像的工作顺序 123

5.4.3 视频和AE/AF模式 126

5.5 CMOS图像传感器在DSC应用的展望 128

参考文献 128

第6章 图像传感器的测评 132

6.1 图像传感器的测评是什么 132

6.1.1 测评的目的 132

6.1.2 成像质量和图像传感器的测评参数 132

6.1.3 图像传感器的测评环境 132

6.2 测评环境 133

6.2.1 图像传感器的测评和测评环境 133

6.2.2 图像传感器测评环境的基本配置 133

6.2.3 测试准备 136

6.3 测评方法 136

6.3.1 光子转换特性 136

6.3.2 光谱响应 138

6.3.3 角度响应 140

6.3.4 暗特性 142

6.3.5 光照特性 144

6.3.6 拖尾特性 145

6.3.7 分辨率特性 145

6.3.8 图像拖影特性 146

6.3.9 缺陷 147

6.3.10 自然场景的图像再现 147

第7章 色彩理论及其在数码相机中的应用 148

7.1 色彩理论 148

7.1.1 人类视觉系统 148

7.1.2 颜色匹配函数和三色值 148

7.1.3 色度及均匀颜色空间 149

7.1.4 色差 151

7.1.5 光源和色温 151

7.2 相机光谱灵敏度 153

7.3 相机的特性描述 154

7.4 白平衡 155

7.4.1 白点 155

7.4.2 色彩转换 156

7.5 转换显示（色彩管理） 157

7.5.1 色度定义 157

7.5.2 图像状态 157

7.5.3 轮廓法 158

7.6 总结 158

参考文献 159

第8章 图像处理算法 160

8.1 基本图像处理算法 160

8.1.1 降噪 161

8.1.2 色彩插补 162

8.1.3 色彩校正 166

8.1.4 色调曲线／伽马曲线 167

8.1.5 滤波操作 168

8.2 相机控制算法 171

8.2.1 自动曝光，自动白平衡 171

8.2.2 自动对焦 172

8.2.3 取景器以及录像模式 173

8.2.4 数据压缩 174

8.2.5 数据存储 175

8.2.6 图像变焦、尺寸缩小与剪裁 175

8.3 高级图像处理：如何获取更好的图像质量 178

8.3.1 色度裁剪 179

8.3.2 高级色彩插值 179

8.3.3 镜头畸变校正 181

8.3.4 镜头阴影校正 181

参考文献 182

第9章 图像处理引擎 183

9.1 图像处理引擎的关键特性 184

9.1.1 成像功能 184

9.1.2 功能灵活性 184

9.1.3 成像性能 184

9.1.4 帧频 185

9.1.5 半导体成本 187

9.1.6 功耗 187

9.1.7 上市时间的考虑 187

9.2 成像引擎架构的比较 188

9.2.1 图像处理引擎架构 188

9.2.2 通用DSP VS硬连接ASIC 189

9.2.3 功能灵活性 189

9.2.4 帧频 190

9.2.5 功耗 190

9.2.6 上市时间的考虑 190

9.2.7 结论 191

9.3 模拟前端（AFE） 191

9.3.1 相关双采样（CDS） 191

9.3.2 光学黑电平钳位 192

9.3.3 模数转换（ADC） 192

9.3.4 AFE器件实例 193

9.4 数字后端（DBE） 194

9.4.1 特征 195

9.4.2 系统组成 195

9.5 未来的设计方向 196

9.5.1 数码相机的发展趋势 196

9.5.2 模拟前端 197

9.5.3 数字后端 198

参考文献 198

第10章 图像质量评价 199

10.1 什么是图像质量 199

10.2 参数指标 200

10.2.1 分辨率 200

10.2.2 频率响应 200

10.2.3 噪声 201

10.2.4 灰度（色调曲线，伽马特性曲线） 202

10.2.5 动态范围 204

10.2.6 色彩再现 204

10.2.7 均匀性（不均匀性，阴影） 205

10.3 详细的条目或者因素 205

10.3.1 与图像传感器相关的问题 206

10.3.2 和镜头相关的因素 211

10.3.3 信号处理相关的因素 213

10.3.4 系统控制因素 215

10.3.5 其他因素：时间和运动上的注意点 217

10.4 图像质量的一些标准 218

第11章 对未来数码相机的一些设想 219

11.1 数码相机图像传感器的未来 219

11.1.1 未来的高端数码单反相机传感器 219

11.1.2 未来的主流消费类数码相机传感器 221

11.1.3 数字胶片传感器 222

11.2 一些未来的数码相机 224

参考文献 225

附录A 标准光源下每勒克斯的入射光子数 227

附录B 成像系统的灵敏度和ISO感光度指标 229