CMOS图像传感器简介

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概念

CMOS全称为Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，具有通用性强、功耗低的技术特点。早期CMOS图像传感器的暗电流高、噪声大，使用上不及CCD广泛，如今随着技术的发展，CMOS图像传感器已成为市场主流。CMOS中主要的技术有X-Y寻址和有源像素结构。

X-Y寻址

这种寻址方式可以做到低功耗，因为只有选中的像素被读出。读出方式有串行、列并行和像素并行。目前使用最广泛的是列并行方式。它是指一行中的所有列被同时读出，因此一行中的所有像素的曝光时间相同，此后逐行偏移。此方式需要一个行存储器存储一行的数据。

有源像素

具有信号放大功能的像素称为有源像素。CMOS图像传感器每个像素都有一个信号放大器，提升了信噪比。

工作流程

CMOS图像传感器中，常用的快门方式为rolling shutter，即电子卷帘式快门，它的特点是每行的曝光开始时刻不相同。之所以采用rolling shutter，是跟读出方式相关。现在普遍的方式是逐行读出，读出是需要时间的，试想如果每行的曝光开始时刻一样，那上一行正在读出的时候，下一行还在曝光，会造成下一行的曝光时间比上一行长。rolling shutter带来了果冻效应，即拍摄运动较快的物体时，由于每行曝光的开始时刻不同，会发生物体形变的现象。

可能有人会问：既然是电子快门，有没有一种手段可以控制sensor不接受光子呢？这样不就可以每行同一时刻开始曝光，然后同时停止，并等待逐行读出了吗？我认为现在CMOS sensor没有办法这么做，sensor会不断产生光电转换，无法停止。那如何控制曝光开始呢？接下来就要说一说sensor的工作流程：

网上有人写了一篇很好的解释 （https://www.cloudynights.com/topic/561740-how-a-cmos-image-sensor-works-high-level-example/），他把CMOS sensor分为了三大模块：

1. pixel：用于产生光电效应的模块，是最基础的部分
2. CDS：Correlated Double Sampling，用于消除暗电流噪声
3. ADC：Analog Digital Convertor，用于把模拟信号转换成数字信号

这里有个疑问是既然CDS消除了暗电流噪声，为什么现在的sensor的输出数据还需要进行black level校正呢？

CMOS sensor的工作流程也分为三个阶段：

1. reset：reset阶段为曝光做准备，让sensor中多余的电子流走，使得每个pixel保持在初始状态
2. exposure：正式曝光阶段
3. readout：数据读出阶段

文章中还有一幅图来表示整个过程，如下：

(author: Jon Rista)

可以看到，首先通过reset让pixel中的电子尽可能少，曝光结束后，此时每个pixel的电压是非常小的，需要通过放大器进行放大。接着CDS去除暗电流噪声，再经过ADC转换成数字信号。

噪声来源

了解sensor的噪声来源有助于我们理解ISP的设计思路。噪声可分为固定模式(Fixed Pattern Noise, FPN)噪声和暂态噪声。

所谓固定模式噪声，是指会出现在图像的固定位置，并不随着时间而变化。之前听说的DSNU (Dark Signal Non Uniformity)和PRNU (Photo Response Non Uniformity)分别就是指黑暗条件和光照条件下的固定模式噪声水平。前面说过，CMOS传感器中是有源像素，这些有源像素的放大器会产生暗电流，此外还有每个像素的暗电流，这是CMOS固定模式噪声的两大来源。

而暂态噪声是指随时间变化的噪声。几乎在CMOS工作过程的每一步都会产生噪声，比如有复位噪声、放大器噪声、读出噪声等。 

上面图片里的CDS可以消除由放大器产生的FPN噪声，但无法消除由像素暗电流产生的FPN噪声。这也可以解释为什么ISP中还需要black level校正，但为什么不把这种噪声在每个像素的放大器里消除呢？是不是可以利用双采样的原理，两次相减得到消除暗电流的电压值呢？

CMOS图像传感器简介

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原文地址：https://www.cnblogs.com/sparklehhh/p/12153014.html