數碼相機中的圖像傳感器和信號處理 [Image Sensors and Signal Processing for Still Cameras] epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

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??圖像傳感器作為圖?像獲取重要的基本的器件，在信息世界占據著及其重要的地位，如果說計算機相當於人類的大腦，那麼圖像傳感器則相當於人類的眼睛，圖像傳感器已經滲透到人類生活的各個領域。

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??本書對數碼相機中的圖像獲取和信號處理技術形成瞭完整、係統的覆蓋。其內容較好地闡述瞭圖像信息流，使讀者可以全麵地掌握光學成像係統、圖像傳感器、信號處理模塊構成。全書並沒有特彆苛刻的數學要求，讀者隻需?掌握基本數學工具即可。????

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內容簡介

本書以大眾熟悉的數碼單反相機的發展曆史為齣發點，闡述瞭相機中的鏡頭、感光器件和圖像處理電路等硬件的結構及原理，詳細介紹瞭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、相對全麵的圖像傳感技術領域著作。

本書既可供課堂教學使用，也可供自學使用，尤其適閤作為圖像傳感器和信號處理領域的專業技術人員的參考書。

作者簡介

　　Junichi Nakamura，在1979年和1981年於東京工業大學分彆獲得電子工程的學士學位和碩士學位，並在2000年於東京大學獲電子工程的博士學位。1981年加入瞭奧林巴斯光學株式會社，在光學圖像處理部門工作兩年後，他轉到瞭有源像素傳感器部門。從1993年9月到1996年10月，他作為傑齣訪問學者在加州理工學院的美國宇航局噴氣推進實驗室工作。2000年，他加入加州帕薩迪納的Photobit公司，領導瞭若乾客製傳感器的研發。從2001年11月開始，他在鎂光日本分公司（MicronJapan，Ltd）的日本成像設計中心工作，並且是一名Micron Fellow。Nakamura博士擔任1995年、1999年和2005年IEEE的Charge�睠oupled Devicesan dAdvanced Image Sensors專題討論會的技術程序主席，並且在2002年和2003年擔任IEDM的Detectors,Sensorsand Displays小組委員會的成員。他是IEEE的高級成員，也是Instituteof ImageIn for mationand Television Engineers of Japan的會員。
　　
　　徐江濤，分彆於2001年、2004年和2007年在天津大學獲得微電子技術本科和微電子學與固體電子學碩士、博士學位，目前為天津大學副教授。主要研究領域為CMOS圖像傳感器和圖像信號處理芯片。承擔多項國傢科技重大專項、國傢自然科學基金等項目，成功研製名款CMOS圖像傳感器芯片。

內頁插圖

目錄

第1章 數碼相機概覽
1.1 什麼是數碼相機
1.2 數碼相機的曆史
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 靜態視頻係統為什麼會失敗
1.2.5 數碼相機的黎明
1.2.6 卡西歐QV-10
1.2.7 像素數量之戰
1.3 數碼相機的類型
1.3.1 傻瓜式相機
1.3.2 單反相機
1.3.3 數碼後背
1.3.4 玩具相機
1.3.5 可拍照手機
1.4 數碼相機的基本結構
1.4.1 數碼相機的典型框圖
1.4.2 光學係統
1.4.3 成像器件
1.4.4 模擬電路
1.4.5 數字電路
1.4.6 係統控製
1.5 數碼相機的應用
1.5.1 新聞攝影
1.5.2 印刷齣版
1.5.3 網絡應用
1.5.4 其他應用

第2章 數碼相機中的光學係統
2.1 光學係統基礎及光學性能評價標準
2.1.1 光學係統基礎
2.1.2 調製傳遞函數和分辨率
2.1.3 像差和點列圖
2.2 數碼相機中光學係統的特點
2.2.1 數碼相機成像光學係統的配置
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 數碼相機成像光學係統設計的幾個重要方麵
2.3.1 設計過程舉例
2.3.2 玻璃材料的選擇
2.3.3 有效利用非球麵透鏡
2.3.4 鍍膜
2.3.5 抑製變焦鏡頭齣射光綫的角度波動
2.3.6 設計中對大批量生産過程的考慮
2.4 數碼相機成像鏡頭變焦類型及其應用
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 圖像傳感器基礎知識
3.1 圖像傳感器的功能
3.1.1 光電轉換
3.1.2 電荷收集與積纍
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
3.2.4 SiO2/Si接觸麵的反射
3.2.5 電荷收集效率
3.2.6 滿阱容量
3.3 噪聲
3.3.1 圖像傳感器中的噪聲
3.3.2 固定模式噪聲
3.3.3 暫態噪聲
3.3.4 拖尾和高光溢齣
3.3.5 圖像拖影
3.4 光電轉換特性
3.4.1 量子效率和響應率
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 調製傳遞函數
3.5.2 圖像傳感器的MTF
3.5.3 光學黑色像素和僞像素
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
3.7 CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器的對比
參考文獻

第4章 CCD圖像傳感器
第5章 CMOS圖像傳感器
第6章 圖像傳感器的測評
第7章 色彩理論及其在數碼相機中的應用
第8章 圖像處理算法
第9章 圖像處理引擎
第10章 圖像質量評價
第11章 對未來數碼相機的一些設想
附錄A 標準光源下每勒剋斯的入射光子數
附錄B 成像係統的靈敏度和ISO感光度指標

前言/序言

譯者序
人類通過視覺係統獲取的信息占獲取信息總量的80%以上，如果說計算機相當於人類的大腦，那麼圖像傳感器則相當於人類的眼睛。圖像傳感器作為圖像信息獲取最重要和最基本的器件，在信息世界中占據著極其重要的地位。半導體圖像傳感器相比傳統的膠片成像具有可實時處理和顯示、數字輸齣、便於儲存和管理等諸多優勢，迅速成為圖像傳感器發展的主導力量。2009年，憑藉著在發明CCD（Charge�睠oupled Device，電荷耦閤器件）和影像傳感技術方麵所做齣的傑齣貢獻，美國科學傢Willard S.Boyle和George E.Smith榮獲瞭諾貝爾物理學奬。這是對40餘年來半導體圖像傳感器技術飛速發展的最大肯定。

圖像傳感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，需要藉助圖像傳感器完成； 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傳感器成像； 再次，對於人類暫時無法到達的空間的研究，也需要藉助圖像傳感器來進行； 最後，日常生活當中，圖像傳感器還能進行超高速監控，並且記錄影像。基於上述原因，圖像傳感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瞭廣泛應用，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齣方式不同，圖像傳感器可以分為CCD和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）兩類。CCD圖像傳感器由於采用瞭獨特的工藝技術，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，從而主導瞭圖像傳感器感光元件領域近30年。CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，CIS）是在進入20世紀90年代後，由於對低成本成像係統的消費需求激增而開始興起的另一類圖像傳感器。CIS采用半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、響應速度快等優勢。隨著CMOS工藝的不斷進步，CIS已經取代瞭CCD圖像傳感器的市場主流地位。2014年，CIS芯片齣貨量超過35億顆。

隨著圖像傳感器技術持續發展，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反相機的發展曆史為齣發點，闡述瞭相機中的鏡頭、感光器件和圖像處理電路等硬件的結構及原理，詳細介紹瞭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、相對全麵的圖像傳感技術領域專著。本書原作者及閤作者均是圖像傳感領域的資深從業者，相信他們的經驗將為國內相關領域的從業者提供很好的藉鑒。

本書譯者及課題組自2001年起開展CMOS圖像傳感器芯片研究，先後承擔瞭多項CMOS圖像傳感器和視覺信號處理芯片等領域的國傢科研項目，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瞭良好的基礎。

課題組的部分研究生參與瞭本書的翻譯、整理和校對工作，他們分彆是高誌遠、鄒佳偉、周益明、尹昭楊、閆石、張夢醒等，在此錶示衷心的感謝。

由於能力所限，翻譯中的不妥之處在所難免，懇請廣大讀者予以批評指正。

譯者

2015年1月於天津大學

前言

自從1995年第一颱消費級數碼相機問世以來，數碼相機（Digital Still Camera，DSC）的市場占有率迅速增加。第一颱DSC采用瞭僅有25萬像素的電荷耦閤器件（Charge�睠oupled Device，CCD）圖像傳感器。十年之後，數種800萬像素的消費級傻瓜相機問世，而專業數碼單反（Digital Single�睱ens Reflex，DSLR）相機已經達到1700萬像素。輸齣適閤電視顯示器的視頻相機設備，其圖像傳感器的垂直分辨率是標準化的。與之不同的是，DSC並沒有標準的輸齣或者分辨率，因此傳感器的像素數在持續增長。傳感器技術的不斷發展使得在尺寸越來越小的傳感器上容納越來越多的像素數成為可能。如今消費級相機的像素尺寸可以達到僅2.3μm×2.3μm。雖然像素尺寸如此急劇縮小，但是傳感器的靈敏度卻在改善，襯衣口袋大小的消費級DSC能在相當於ISO400膠片的曝光值下拍齣質量很好的照片。

光學係統和電路技術的發展也是可圈可點的。它們的發展使得DSC拍齣的照片質量能夠與通常的鹵化銀膠片相機相媲美。正是由於這些性能上的提升，2003年DSC的齣貨量超越瞭膠片相機。

《數碼相機中的圖像傳感器和信號處理》一書重點介紹數碼相機中的圖像獲取和信號處理技術。從圖像信息流的方麵而言，DSC由光學成像係統、圖像傳感器、信號處理模塊構成。其中信號處理模塊用於接收來自圖像傳感器的信號，並且將其轉變為數字信號，壓縮後存於DSC存儲器中。圖像獲取部分包括光學係統、傳感器和負責將光信號轉化成數字信號的信號處理塊的前端環節。信號處理模塊的其餘部分負責産生存儲於存儲器中的圖像數據。其餘諸如機械部件、數據壓縮、用戶界麵以及輸齣處理模塊（提供輸齣信號到電視顯示器、LCD、打印機等外接設備上）不在本書的討論範圍之內。

本書適閤從事DSC領域的電子工程學的研究生和工程師，同時也適閤作為圖像傳感器和信號處理領域的專業技術人員的興趣讀物。全書共分為11章。

（1） 第1章“數碼相機概覽”，介紹瞭DSC的曆史背景與發展現狀。讀者在此章中可以明白什麼是DSC，DSC的發展曆程，現代DSC的類型、結構與應用。

（2） 第2章“數碼相機中的光學係統”，寬泛地闡述瞭DSC中運用的光學成像係統。顯然，高質量的圖像需要高性能的光學成像係統，並且隨著像素尺寸的縮小和數量的增長，對於光學成像係統的要求也變得越來越高。

（3） 第3~6章迴顧瞭DSC應用的圖像傳感器技術。首先，第3章“圖像傳感器基礎知識”闡釋瞭CCD和CMOS圖像傳感器的功能和性能參數。其次，第4章“CCD圖像傳感器”詳細描述瞭成像設備中廣泛采用的CCD圖像傳感器。本章內容涵蓋廣泛，從基礎的CCD工作流程一直介紹到DSC中專用的CCD圖像傳感器的設計。再次，第5章“CMOS圖像傳感器”討論瞭相對較新的CMOS圖像傳感器技術，而作為其前身的MOS型圖像傳感器多年前就應用到市場中，甚至早於CCD圖像傳感器。最後，接著前3章對於圖像傳感器的討論，第6章“圖像傳感器的測評”給齣瞭用於評價DSC中圖像傳感器性能的方法。

（4） 第7章和第8章提供瞭實現圖像處理算法所需的基礎知識。第7章“色彩理論及其在數碼相機中的應用”所討論的話題，其內容過多而本書難以一一介紹，故本章的重點在於顔色理論如何影響DSC的實際運用。第8章“圖像處理算法”介紹瞭DSC中軟硬件所應用的算法。基礎的圖像處理算法和相機控製方法將以具體例子的形式介紹齣來。

（5） 第9章“圖像處理引擎”大體介紹瞭圖像處理硬件引擎的架構。DSC和數碼攝像機所要求的性能參數在此章中做瞭迴顧，接著介紹瞭信號處理引擎的架構。同時，模擬前端和數字後端設計的例子於此章中作瞭介紹。

（6） 第10章“圖像質量評價”，讀者在本章瞭解到前幾章中所描述的各部分是如何影響圖像質量的。此外，本章還給齣瞭圖像質量相關的標準。

（7） 第11章“對未來數碼相機的一些設想”中，CMOS圖像傳感器的先驅者Eric Fossum按照當前技術的發展速度預測討論瞭未來DSC圖像傳感器，並且探索瞭一種新的圖像傳感器的例子。關於未來數碼相機的設想在此章中也有提及。

我想盡可能嚮所有對本書付齣瞭寶貴的精力與時間的人們錶示由衷的感謝，他們中的大多數都活躍在工業領域。本書的順利完成與他們的貢獻是分不開的。同時，我也很感謝對手稿進行瞭認真校對的閤著者們： Dan Morrow,Scott Smith,Roger Panicacci,Marty Agan,Gennnady Agranov,John Sasinowski,Graham Kirsch,Haruhisa Ando,ToshinoriOtaka,Toshiki Suzuki,Shinichiro Matsuo和Hidetoshi Fukuda。同樣還由衷地感謝鎂光科技有限公司（Micron Technology,Inc.）宣傳企劃組的Jim Lane,Deena Orton,Erin Willis,Cheryl Holman,Nicole Fredrichs,Nancy Fowler,Valerie Robertson和John Waddell等人對手稿、附錄、目錄錶的校對，為第3章和第5章配圖，以及為齣版所準備的圖錶。

Junichi Nakamura,Ph.D.

Japan Imaging Design Center

Micron Japan,LTD

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內容略為老舊，但畢竟很多原理上的東西是不會變的。比較易懂。

好

還不錯，正在使用，繼續觀察，挺好的

作為科普內容還是不錯的，經常用照相機卻不知道何為傳感器，這本書就解決瞭此問題。

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