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图像传感器的连接和图像流水线的详细分析
张虎豹
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当今数码照相机基本都是基于电荷耦合器件（CCD）或 CMOS 传感器技术。这两种技术都能将光信号转换为电信号，但它们的转换方式不同。在 CCD 组件中，由数百万光敏像素组成的阵列覆盖在 CCD 传感器的表面。在传感器曝光后，首先 CCD 的末端读出覆盖整个 CCD 像素阵列上的累积电荷，然后经模拟前端（AFE）芯片或 CCD 处理器数字化。另外一种传感器，CMOS 传感器可直接将每个像素单元的曝光程度数字化。通常，CCD 具有最高的图像质量和最低的噪声，但是其功耗较高。CMOS 传感器容易制造并且具有低功耗特性，但是其图像质量较低。部分原因是因为位于每个像素的晶体管容易阻挡到达像素的部分光信号。然而，如果在质量竞争过程中与 CCD 比价格，那么 CMOS 具有优势，并且目前采用 CMOS 传感器的中挡数码照相机的数量越来越多。无论数码照相机内部采用哪种传感器，传感器阵列的所有像素都需对灰度等级灵敏——从全暗（黑）到全亮（白）。对灰度等级敏感程度被称为“比特深度”。因此，8 bit 像素可区分 28 或 256 个灰度梯度，而 12 bit 像素可区分 4096 个灰度梯度。分层的整个像素阵列是一种将每个像素分为几个对颜色敏感的“子像素”的滤色镜。这种安排允许测量每个像素单元不同颜色的成分。因此，每个像素单元的颜色可看作是红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）通道光的成分以加法方式叠加的总和。比特深度越高， RGB 空间能产生的颜色越丰富。例如，24 bit 颜色（R、G 和 B 每通道为 8 bit）可产生 224 或 1，670 万种离散的颜色。为了恰当地表示彩色图像，每个像素单元，每个传感器需要 3 种颜色采样——最通常是 R，G 和 B。然而，为每个数码照相机配备 3 个单独的传感器并不是经济有效的解决方案（虽然最近这种解决方案变得比较实际）。而且，当传感器的分辨率增加到 5 百万～1 千万像素时，就会需要一些图像压缩格式防止为每个像素单元需要输出 3 个字节（或更坏情况下，对于更高分辨率的传感器，还会需要输出 3 个 12 bit 字）。不用担忧，因为数码照相机生产厂商已经开发出了减少必要的颜色采样数目的巧妙方法。最常用的方法是采用色彩滤镜阵列（CFA），它仅测量任何给定像素单元的一种颜色。然后，用图像处理器对测量结果进行插值运算以便看起来好像在每个像素单元测量了 3 种颜色。
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