數位相機中的圖像感測器和信號處理

《數位相機中的圖像感測器和信號處理》是2015年出版的圖書，作者是Junichi Nakamura。

基本介紹

• 書名：數位相機中的圖像感測器和信號處理
• 作者：（日）Junichi Nakamura
• 譯者：徐江濤、高靜、聶凱明
• 出版社：清華大學出版社 
• 出版時間：2015年
• 定價：45 元
• 裝幀：平裝
• ISBN：9787302383635
• 印次：1-1
• 印刷日期：2015-2-5

主要內容

圖像感測器已經滲透到人類生活中的各個領域。首先，人眼敏感的光譜範圍相對局限，對於非可見光範圍內的光信息接收，需要藉助圖像感測器完成； 其次，人眼所能分辨的物體的極限物理尺寸遠大於微觀尺度，故對於各種物理化學的微觀變化的研究須藉助圖像感測器成像； 再次，對於人類暫時無法到達的空間的研究，也需要藉助圖像感測器來進行； 最後，日常生活當中，圖像感測器還能進行超高速監控，並且記錄影像。

基於上述原因，圖像感測器一經發明便在消費類電子、視頻監控、航空航天、工業、醫療、軍事等多個領域得到了廣泛套用，並且日益成為人類活動所依賴的重要工具。

根據光信號的感知和讀出方式不同，圖像感測器可以分為CCD和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）兩類。CCD圖像感測器由於採用了獨特的工藝技術，其具有弱光照條件下效果好、信噪比高、色彩還原能力強等優點，從而主導了圖像感測器感光元件領域近30年。CMOS圖像感測器（CMOS Image Sensor，CIS）是在進入20世紀90年代後，由於對低成本成像系統的消費需求激增而開始興起的另一類圖像感測器。CIS採用半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、回響速度快等優勢。隨著CMOS工藝的不斷進步，CIS已經取代了CCD圖像感測器的市場主流地位。2014年，CIS晶片出貨量超過35億顆。隨著圖像感測器技術持續發展，相關著作不斷湧現，本書原著即為其中之一。本書以大眾所熟悉的數碼單眼相機的發展歷史為出發點，闡述了相機中的鏡頭、感光器件和圖像處理電路等硬體的結構及原理，詳細介紹了圖像處理算法以及相機成像質量評價的相關基礎知識，是一本不可多得的、相對全面的圖像感測技術領域專著。本書原作者及合作者均是圖像感測領域的資深從業者，相信他們的經驗將為國內相關領域的從業者提供很好的借鑑。

本書譯者及課題組自2001年起開展CMOS圖像感測器晶片研究，先後承擔了多項CMOS圖像感測器和視覺信號處理晶片等領域的國家科研項目，具有紮實的理論功底和豐富的實踐經驗，這為本書的翻譯工作打下了良好的基礎。

目錄

目錄

第1章數位相機概覽

1.1什麼是數位相機

1.2數位相機的歷史

1.2.1早期概念

1.2.2索尼Mavica

1.2.3靜態視頻相機

1.2.4靜態視頻系統為什麼會失敗

1.2.5數位相機的黎明

1.2.6卡西歐QV10

1.2.7像素數量之戰

1.3數位相機的類型

1.3.1傻瓜式相機

1.3.2單眼相機

1.3.3數碼後背

1.3.4玩具相機

1.3.5可拍照手機

1.4數位相機的基本結構

1.4.1數位相機的典型框圖

1.4.2光學系統

1.4.3成像器件

1.4.4模擬電路

1.4.5數字電路

1.4.6系統控制

1.5數位相機的套用

1.5.1新聞攝影

1.5.2印刷出版

1.5.3網路套用

1.5.4其他套用

第2章數位相機中的光學系統

2.1光學系統基礎及光學性能評價標準

2.1.1光學系統基礎

2.1.2調製傳遞函式和解析度

2.1.3像差和點列圖

2.2數位相機中光學系統的特點

2.2.1數位相機成像光學系統的配置

2.2.2景深和焦深

2.2.3光學低通濾波器

2.2.4衍射的影響

2.3數位相機成像光學系統設計的幾個重要方面

2.3.1設計過程舉例

2.3.2玻璃材料的選擇

2.3.3有效利用非球面透鏡

2.3.4鍍膜

2.3.5抑制變焦鏡頭出射光線的角度波動

2.3.6設計中對大批量生產過程的考慮

2.4數位相機成像鏡頭變焦類型及其套用

2.4.1視頻變焦類型

2.4.2多組移動變焦鏡頭

2.4.3短變焦鏡頭

2.5總結

參考文獻

第3章圖像感測器基礎知識

3.1圖像感測器的功能

3.1.1光電轉換

3.1.2電荷收集與積累

3.1.3成像陣列的掃描

3.1.4電荷檢測

3.2像素中的光電探測器

3.2.1填充因子

3.2.2彩色濾光陣列

3.2.3微型透鏡陣列

3.2.4SiO2/Si接觸面的反射

3.2.5電荷收集效率

3.2.6滿阱容量

3.3噪聲

3.3.1圖像感測器中的噪聲

3.3.2固定模式噪聲

3.3.3暫態噪聲

3.3.4拖尾和高光溢出

3.3.5圖像拖影

3.4光電轉換特性

3.4.1量子效率和回響率

3.4.2光電轉換特性機理

3.4.3靈敏度和信噪比

3.4.4如何提高信噪比

3.5陣列的性能

3.5.1調製傳遞函式

3.5.2圖像感測器的MTF

3.5.3光學黑色像素和偽像素

3.6光學格式和像素大小

3.6.1光學格式

3.6.2像素大小的考慮

3.7CCD圖像感測器與CMOS圖像感測器的對比

參考文獻

第4章CCD圖像感測器

4.1CCD基礎

4.1.1電荷耦合器件的概念

4.1.2電荷轉移機制

4.1.3表面溝道與掩埋溝道

4.1.4典型的結構和工作方式（兩相和四相時鐘）

4.1.5輸出電路和降低噪聲： 浮置擴散電荷檢測和相關雙採樣

4.2CCD圖像感測器的結構和特性

4.2.1幀轉移CCD和行間轉移CCD

4.2.2p襯底結構和p阱結構

4.2.3抗高光溢出和低噪聲像素（光電二極體和VCCD）

4.2.4CCD圖像感測器的特性

4.2.5工作方法與功耗

4.3數位相機的套用

4.3.1數位相機的套用需求

4.3.2隔行掃描和逐行掃描

4.3.3成像操作

4.3.4像元交叉陣列結構CCD（超級CCD）

4.3.5高解析度的靜止圖片和高幀率的視頻

4.3.6利用CCD圖像感測器的系統解決方案

4.4發展前景

參考文獻

第5章CMOS圖像感測器

5.1CMOS圖像感測器簡介

5.1.1CMOS圖像感測器的概念

5.1.2基本結構

5.1.3像素定址和信號處理結構

5.1.4捲簾式快門和全局快門

5.1.5功耗

5.2CMOS有源像素技術

5.2.1PN光電二極體像素

5.2.2鉗位光電二極體像素

5.2.3其他大畫幅、高解析度CMOS圖像感測器的像素結構

5.3信號處理和噪聲特性

5.3.1像素信號讀出和FPN抑制電路

5.3.2模擬前端

5.3.3CMOS圖像感測器的噪聲

5.4CMOS圖像感測器的DSC套用

5.4.1片上集成和DSC產品分類

5.4.2拍攝靜態圖像的工作順序

5.4.3視頻和AE/AF模式

5.5CMOS圖像感測器在DSC套用的展望

參考文獻

第6章圖像感測器的測評

6.1圖像感測器的測評是什麼

6.1.1測評的目的

6.1.2成像質量和圖像感測器的測評參數

6.1.3圖像感測器的測評環境

6.2測評環境

6.2.1圖像感測器的測評和測評環境

6.2.2圖像感測器測評環境的基本配置

6.2.3測試準備

6.3測評方法

6.3.1光子轉換特性

6.3.2光譜回響

6.3.3角度回響

6.3.4暗特性

6.3.5光照特性

6.3.6拖尾特性

6.3.7解析度特性

6.3.8圖像拖影特性

6.3.9缺陷

6.3.10自然場景的圖像再現

第7章色彩理論及其在數位相機中的套用

7.1色彩理論

7.1.1人類視覺系統

7.1.2顏色匹配函式和三色值

7.1.3色度及均勻顏色空間

7.1.4色差

7.1.5光源和色溫

7.2相機光譜靈敏度

7.3相機的特性描述

7.4白平衡

7.4.1白點

7.4.2色彩轉換

7.5轉換顯示(色彩管理)

7.5.1色度定義

7.5.2圖像狀態

7.5.3輪廓法

7.6總結

參考文獻

第8章圖像處理算法

8.1基本圖像處理算法

8.1.1降噪

8.1.2色彩插補

8.1.3色彩校正

8.1.4色調曲線/伽馬曲線

8.1.5濾波操作

8.2相機控制算法

8.2.1自動曝光，自動白平衡

8.2.2自動對焦

8.2.3取景器以及錄像模式

8.2.4數據壓縮

8.2.5數據存儲

8.2.6圖像變焦、尺寸縮小與剪裁

8.3高級圖像處理： 如何獲取更好的圖像質量

8.3.1色度裁剪

8.3.2高級色彩插值

8.3.3鏡頭畸變校正

8.3.4鏡頭陰影校正

參考文獻

第9章圖像處理引擎

9.1圖像處理引擎的關鍵特性

9.1.1成像功能

9.1.2功能靈活性

9.1.3成像性能

9.1.4幀頻

9.1.5半導體成本

9.1.6功耗

9.1.7上市時間的考慮

9.2成像引擎架構的比較

9.2.1圖像處理引擎架構

9.2.2通用DSP VS硬連線ASIC

9.2.3功能靈活性

9.2.4幀頻

9.2.5功耗

9.2.6上市時間的考慮

9.2.7結論

9.3模擬前端(AFE)

9.3.1相關雙採樣(CDS)

9.3.2光學黑電平鉗位

9.3.3模數轉換(ADC)

9.3.4AFE器件實例

9.4數字後端(DBE)

9.4.1特徵

9.4.2系統組成

9.5未來的設計方向

9.5.1數位相機的發展趨勢

9.5.2模擬前端

9.5.3數字後端

參考文獻

第10章圖像質量評價

10.1什麼是圖像質量

10.2參數指標

10.2.1解析度

10.2.2頻率回響

10.2.3噪聲

10.2.4灰度(色調曲線，伽馬特性曲線)

10.2.5動態範圍

10.2.6色彩再現

10.2.7均勻性(不均勻性，陰影)

10.3詳細的條目或者因素

10.3.1與圖像感測器相關的問題

10.3.2和鏡頭相關的因素

10.3.3信號處理相關的因素

10.3.4系統控制因素

10.3.5其他因素： 時間和運動上的注意點

10.4圖像質量的一些標準

第11章對未來數位相機的一些構想

11.1數位相機圖像感測器的未來

11.1.1未來的高端數碼單眼相機感測器

11.1.2未來的主流消費類數位相機感測器

11.1.3數字膠片感測器

11.2一些未來的數位相機

參考文獻

附錄A標準光源下每勒克斯的入射光子數

附錄B成像系統的靈敏度和ISO感光度指標