技術指南:認識CCD與CMOS影像感測器

一月 19, 2018
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圖片設定影像感測器擷取藍色元素

影像感測器(ImageSensor)是重要的感光元件。工作時感測器先把探測到的光信號轉化為類比訊號,再通過影像訊號處理器把連續的類比訊號轉化為離散的數位訊號,予以利用。隨著智慧手機、相機的興起,影像感測器日益受到關注,技術也不斷發展;影像感測器在工業生產中也被廣泛應用,可用於外觀監測、定位以及日漸普遍的機器人應用等。目前最為常見的兩種影像感測器是CCD(ChargeCoupledDevice,感光耦合元件)和CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor,互補性氧化金屬半導體)。CCD屬於傳統的影像感測器,有靈敏度、影像品質高的優點,而CMOS則反應快且成本低,其技術也不斷更新,在未來會有更多發展。下文就詳細講解兩種感測器的各自特點以及兩者的比較。

CCD與CMOS影像感測器

CCD與CMOS影像感測器,已逐漸普及於機器人應用中。自動化機器人均透過相機以追蹤物體,並了解運動的特性。在2007年DARPA城市挑戰賽的無人駕駛車輛,即使用相機搭配光達(LIDAR)技術,識別環境中的物體以安全完成比賽路線。在DARPA城市挑戰賽中,相機必須能識別道路邊緣與巷道,讓無人駕駛車輛能保持行駛正確道路,以通過整個挑戰賽的環境;要實現這項功能,便需要依靠靈敏度高的影像感測器。

CCD與CMOS影像感測器,均使用感光區域讀取光線特性參數,以產生影像。並具備環境分析、導航、物體識別,與追蹤功能。CCD感測器是經由透鏡將光線導入電容器陣列,再依導入光線的密度形成電荷。此電荷接著傳輸通過曝光區域,並轉換而為電壓。接著透過電壓重建影像。作為技術較成熟的影像感測器,CCD有敏感度高與影像品質好的優點。

CMOS影像感測器則是以電晶體與1組光二極體(Photodiode)建構像素陣列。感測器內的光二極體將接收的光線轉換為電壓。而電晶體則針對各次影像擷取作業,重新設定像素。另有1組電晶體則做為放大器,讓處理影像訊號的電子設備能夠接收該訊號。第三組電晶體則做為切換器,將單列的像素電壓(Pixelvoltage)傳送至訊號處理設備。色彩資訊共有2種記錄方式。其中1個方法即是透過3組影像感測器,分別偵測3原色之一。再將3組影像組合為最終影像。另1種方法是使用濾波器隔離射入光的主要色彩。感測器進行3項擷取作業,分別擷取3原色以組合為最終影像。

CCD與CMOS影像感測器可用於幾乎所有的應用。也分別有不同的優點:
CCD

  • 較低雜訊的高品質影像
  • 像素較高
  • 對光線的敏感度較高

CMOS

  • 價位較低
  • 建構較為簡易
  • 耗電量較低

若機器人應用同時使用CCD與CMOS影像感測器,均可透過LabVIEW與NI產品建構之。維吉尼亞理工大學(VirginiaTech)的VictorTango團隊,在參加2007年DARPA城市挑戰賽時,即透過LabVIEW控制機器視覺系統,並分析影像資料。且NI機器視覺產品與其他製造商的影像感測器,均已提供完備的驅動程式與軟體,包含PointGreyResearchFireflyMV與Firefly2。​

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(提供:NI國家儀器)

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