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CMOS图像传感器的技术演进与调试前言：金 属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器，已被广泛用于手机、笔记本和膝上电脑、数码相机、视频游戏机、玩具、医疗设备、汽车、安全设备、工业 设备等领域，以其低功耗、低成本、高集成度、高良品率等诸多优点，不断刷新着市场占有率。本文就CMOS图像传感器的技术演进、与CCD的技术对比以及在 安防领域的应用这几个话题展开讨论。关键词：CMOS，CCD，高清网络摄像机1. CMOS图像传感器的技术演进CMOS 图像传感器(CMOS Image Sensor)起步于上世纪九十年代初，当时的CMOS图像传感器的图像感测效果差强人意，未能大规模应用。习惯上称此时的CMOS传感器为“被动式像素 图像传感器架构”。九十年代中期，美国太空总署的喷射推进实验室提出了“主动式像素图像传感器架构”，使CMOS图像传感器才真正走上了大规模商用的道 路。与被动式像素架构不同，主动式架构采用的是：向每个图像感测像素中加入信号放大器以及相应的杂波控制电路，然后再逐行读取放大后的信号。这样一来，就避免了被动式像素架构在传递未经放大的原始信号过程中易受杂波干扰的问题，使得图像质量大幅增强。目前CMOS图像传感器的发展方向主要集中在更高的灵敏度、更强的噪声抑制能力以及更小的尺寸这些方面。沿着这些方向，相应的技术也在不断的产生与发展：1.1背照射结构：一 般CMOS图像传感器进光投射方向为前照射结构，如图所示。由于入射光到达像素中的光电二极管之前要通过硅基板表面的金属导线和晶体管，部分光线被反射， 阻碍了片上透镜的采光进程，灵敏度降低，SONY将前照射改为背照射(Back-illuminated structure),把金属线路和晶体管移至硅基板另一面，入射光通过微透镜、滤色片直接到达光电二极管，大大增加了进入每个像素的进光量，从而有效提 高了传感器的灵敏度。目前在消费电子领域，一些国际大厂如索尼、佳能、尼康等均已开始采用背照射结构的CMOS传感器。图1 前照射结构与背照射结构比较1.2片上降噪技术：一 般像素电路为三晶体管方式，虽然有用信号得到放大，但杂波也随之放大。Canon公司采用四晶体管方式，如图所示。由于固定模式噪音来自不同像素放大器之 间的不均衡的信号增强，这也就是即使在一天中的不同时段拍摄不同主体的照片时，噪音可能出现在相同像素的原因。为消除此类噪音，佳能第二代片上降噪电路会 读取固定模式噪音量，然后消除噪音以提供无噪音的光信号。图2 片上降噪技术1.3暗电流抑制技术：暗电流是CMOS上由于微晶缺陷或漏电流产生的，在长时间曝光、温度上升等情况下，像素电荷积累增多，导致CMOS产生噪音。为此，Canon公司采用了“埋入式光电二极管”的构造来降低噪音发生的机率。1.4制程技术的提升：随 着大规模集成电路的迅猛发展，CMOS的制程能力也在不断提升，从微米、亚微米到深亚微米，CMOS传感器的集成度越来越高。进入2011年，意法半导体 和IBM宣布两家公司签署了一项技术合作协议，将合作开发32纳米和22纳米CMOS制程技术，这预示着CMOS纳米级制程时代的到来。2. CMOS图像传感器与CCD的技术对比CMOS图像传感器相对于CCD传感器，从本质特性上分析，主要有以下几个优势：图 像信号读出率高，响应速度快。由于CMOS传感器的越来越高的SOC化，以及大规模集成电路制造工艺的提升，使得大部分信号处理电路能够集成在同一个芯片 上，信号传输距离缩短，寄生参数、传输延迟均可大幅改善，因此CMOS传感器更容易实现高速率信号读出。目前CCD信号读出速率通常不超过 70Mpixels/s，CMOS可达1000Mpixels/s。低功耗。CCD需要很多驱动电压(-7.5V到15V)来驱动电荷转移，功耗很难控制。CMOS传感器得益于大规模集成电路工艺，只需一个电源(并多为低电压)驱动就行，耗电量仅为CCD的1/8到1/10。无 垂直拖尾现象。垂直拖尾是指当拍摄高亮度发光物体时，如照明灯、太阳，画面上会出现一条垂直亮带。在传统CCD上，当光照产生的电信号超过了二极管(垂直 存储器)的容量时，二极管(垂直存储器)电荷会发生溢出，从而产生了垂直拖尾现象。由于自身机理的原因，这种现象在至今无法彻底消除。但由于CMOS特殊 的成像结构，这种现象不会在CMOS图像传感器上出现。高 集成度。由于CMOS图像传感器采用大规模集成电路工艺，所以很容易将其他功能芯片一起整合到CMOS芯片上。目前主流的CMOS sensor一般会将视频信号处理电驴和静止图片信号处理电路集成在内部，内置图像处理算法进行图像预处理，包括了缺陷修正、去除FPN噪声、色彩差值， 图像锐化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列处理，最终输出row RGB或BT.656/601格式的图像信号，而这在CCD上是难以实现的。高集成度的优点使CMOS传感器更广泛应用于小型手持式移动设备上。但 是，与CCD传感器相比，CMOS也有其固有的缺点，如灵敏度低、固定图形噪点大等问题。事实上，在高端应用领域，如单反照相机、机器视觉、车载摄像机、 医用影像器材等领域，仍然是CCD传感器占有绝对优势，但随着技术的进步和集成电路制造工艺的提升，CMOS传感器在这些领域的应用将愈发广泛。3. CMOS图像传感器在高清网络摄像机中的应用3.1业界动态传 统的模拟摄像机多采用CCD图像传感器，随着高清IP摄像机的迅速发展，CMOS传感器也凭借其功耗低、集成度高、低成本等优点抢占这一市场。据估算，当 前市场上绝大多数网络摄像机均已采用CMOS传感器作为前端图像采集器件。安防领域主要的CMOS Sensor供应商主要有Micron Aptina， Omnivision，SONY，松下，三星，Pixelplus等公司。SONY作为CCD领域执牛耳者，近几年也开始重视CMOS传感器技术的开发， 并于2008年成功研制出了信噪比达到+8dB的背感光式CMOS器件。Omnivision与2009年推出分辨率为1080P/30帧、宽动态、低照 度CMOS传感器，加速推动网络摄像机进入实时1080P时代。 3.2 高清IP摄像机CMOS Sensor的调试：以笔者所用最多Micron Aptina Sensor为例，其功能框图如下图所示： 图3 Sensor功能框架图Sensor 的调试主要分前期初始化，及后期图像质量调试两大部分。初始化的目的是使Sensor正常稳定工作，产生图像；而后期图像调试则是对图像进一步调整，以使 其达到理想状态。Sensor初始化步骤主要为上电、外部控制信号配置、内部寄存器配置等；图像质量调试的内容包括清晰度、白平衡、色度、画面均匀度、灰 阶重现度、低照度性能等方面。Sensor初始化3.2.1 上电上 电是指向Sensor的核心电压、接口电压等电源引脚提供相应电压，Aptina Sensor的电压典型值一般为3.3V、2.8V以及1.8V，上电时要特别注意各种电压的上电时序，否则会造成驱动加载异常，系统工作不稳定，造成异 常的原因之一是由于晶体振荡器在起振后尚未达到稳态，而此时Sensor核心已开始工作，系统因收不到准确稳定的时钟基准信号而产生工作异常。有些 Sensor对上电的时序要求不敏感，可以同时上电。3.2.2 外部控制信号配置主要包括基准时钟信号、行场同步信号、硬件Reset信号的配置。若这些信号异常，则可能导致图像无法正常显示，如下图所示： 图4 控制信号配置异常导致的图像严重色偏3.2.3内部寄存器配置Sensor的驱动加载是指通过总线接口（如IIC、SPI等）向Sensor写入系统初始化所需的各种数据，主要是通过控制寄存器实现的。下图为Sensor内部寄存器：图5 Sensor内部寄存器示意图其 中，Core Registers与Sensor核心控制相关，Image Flow Processor主要为控制算法的寄存器。Image Flow Processor包括两组寄存器：ColorPipelineRegisters和CameraControlRegisters，前者负责输出数据方 面的控制，后者集中了主要的图像控制算法，如AE、AWB、图像缺陷修正、CameraControlSequencer等。图像质量调试：3.3.3图像清晰度图像清晰度调试主要借助ISO12233标板完成： 图6 ISO12233标板调试时将整个图像轮廓与标板外沿相吻合，调节焦距，读出中心最大线数、水平与垂直线数、边缘线数。摄像机的中心是清晰度最高的位置，越向边缘清晰度越差，所以边缘清晰度的好坏是衡量图像边缘畸变状况的重要指标。3.3.4白平衡白 平衡是图像调试非常重要内容之一。当摄像机拍摄白色物体时，输出的R,G,B三基色电压必须相等，在荧光屏上才能重现标准白色，这种条件称为摄像机的白平 衡。实际上，摄像机输出的三基色信号不仅与其本身的光谱响应有关，还与照射物体的光源的光谱功率分布有关，即与光源的色温有关。如果光源的色温为 6500K时拍摄的白色物体中三基色信号的幅度一致了，若改为3200K色温光源后，红基色的电压必然升高，蓝基色的电压降低，这时调整红路和蓝路的增益 使输出电压相等，重现白色，这种调整叫做白平衡调整。目前绝大部分摄像机都内置了自动白平衡（AWB）算法，可以满足一般场景的需求，当自动白平衡无法满 足是则需要手动配置相关寄存器完成白平衡调整，即手动白平衡（MWB）。3.3.5画面均匀度 画面均匀度问题是由于镜头引起的，图像中间像素曝光总是比边缘充分，所以会出现如下图所示情形：图7 图像均匀度异常通过调试Lens Shading值来解决图像均匀度问题。调试后图像如下图： 图8 调整后的图像均匀度3.3.6低照度环境下图像调试低 照度下图像亮度的控制主要有两个手段，一个是AE target，另一个是增大灰度增益值。通常使用AE target增大亮度会最大限度的保持图像色彩还原，但这种方法的受制因素是帧率，当帧率达到极限时就要通过调节灰度增益值来增大亮度值。灰度增益值会与 图像噪声正相关，增益过大会导致图像噪点增加，一般较少采用。3.3.7工频干扰问题工 频干扰是由于室内日光灯的频闪造成的。工频干扰表现在图像上的形式是水波纹状的闪烁。国内市电电压频率为50Hz，电压曲线为正弦，那么其能量曲线就是电 压曲线的绝对值，即日光灯闪烁频率为