一、CMOS 成像基础认知

CMOS 的材质主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体。在 CMOS 上共存着带 N（带 ━ 电）和 P（带 + 电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理晶片纪录和解读成影像。

CMOS 具有一些独特的特性。一方面，由于在像素的旁边就放置了信号放大器，这使得 CMOS 在处理影像时具有一定的优势。例如，每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器，因此可以在每个像素基础上进行信号放大，节省无效的传输操作，只需少量能量消耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。另一方面，CMOS 也存在一些缺点，特别是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象，更使得杂讯难以抑制。

总的来说，CMOS 通过半导体的互补效应产生电流，并利用其独特的结构和特性，将电流处理成影像，为现代数字影像技术提供了重要的支持。

 

二、CMOS 的关键组成与作用

（一）核心部件的功能

在 CMOS 成像过程中，各个核心部件都发挥着至关重要的作用。感光二极管是实现光电转换的关键元件，当光线照射到感光二极管时，它完成光电转换，产生信号电荷。浮动式扩散层在曝光结束后，接收来自传输电极门传送的信号电荷。传输电极门起到控制信号电荷传输的作用，在合适的时机打开，将感光二极管产生的信号电荷传送到浮动式扩散层。起放大作用的 MOSFET 从浮动式扩散层拾取信号电荷，并将其从电荷信号转换为电压信号，实现了电荷电压转换。而起像素选择开关作用的 MOSFET 则负责选择特定的像素进行信号处理和输出，确保成像的准确性和有效性。

（二）信号转换三部曲

CMOS 完成光电转换、电荷电压转换、模拟数字转换的过程如下：首先，在 CMOS 的曝光阶段，感光二极管接收光线，利用光电效应将光信号转换为电荷信号，完成光电转换。曝光结束后，传输电极门打开，信号电荷被传送到浮动式扩散层，接着起放大作用的 MOSFET 电极门来拾取信号电荷，将其从电荷信号转换为电压信号，实现电荷电压转换。最后，通过一系列的模数转换逻辑，将模拟的电压信号转换为数字信号，使得计算机能够读取这些信号。这样，CMOS 就完成了从光信号到数字信号的转化，为数字影像的生成和处理奠定了基础。

 

三、从黑白到彩色的跨越

（一）色彩滤波阵列的引入

现代彩色 CMOS 的原理是在黑白图像传感器的基础上增加色彩滤波阵列（CFA），从而实现从黑白到彩色的成像。其中，很著名的一种设计就是拜耳色彩滤波阵列（Bayer CFA）。拜耳阵列是由一行 RGRGRG…… 和一行 BGBGBG…… 交错排列而成，每一个像素点只能读取单独的颜色信息。其中绿色像素的采样频率是输出像素的 1/2，红、蓝色像素的采样频率是输出像素的 1/4。

Bayer CFA 的工作原理是通过在每个像素上方设置特定颜色的滤光片，使得每个像素只能透过一种颜色的光，从而记录下该颜色的强度信息。例如，当光线通过红色滤光片时，该像素就只能记录红色光的强度。这样，通过不同颜色的滤光片组合，就可以记录下不同颜色光的强度信息，为后续的色彩还原提供基础。

（二）色彩还原与插值算法

对于基于拜耳色彩滤波阵列设计的 CMOS，需要通过插值算法还原出完整的 RGB 三个通道分量，以解决图像缺损问题。常用的插值算法有相邻像素插值、双线性插值、三次多项式插值等。

以双线性插值为例，对于只有红色分量的像素：例如 R32，通过周围像素的颜色信息进行计算。对于只有绿色分量的像素：例如 G33，以及只有蓝色分量的像素：例如 B43，也采用类似的方法。通过这种方式，可以还原得到完整的 RGB 分量，从而得到一幅没有缺损的图像。

然而，这并不是终点。Bayer CFA 经过插值之后，CFA 的色特性与人眼的视觉特性并不一定重合，所以图像中的像素颜色可能都是偏色的。这可能是光学透镜的光谱特性导致，也可能是 Bayer CFA 上的彩色滤镜光谱特性导致，跟拍摄的环境光也有很大关系。

 

四、成像中的色彩奥秘

（一）人眼色彩感知原理

人眼视网膜上分布着两种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。视锥细胞又分三种：红色感光细胞、绿色感光细胞、蓝色感光细胞，它们对照明的明暗条件敏感度较低，只有当光照强度达到一定条件锥细胞才能够起作用。这三种视锥细胞对 RGB 三种颜色最敏感，蓝视锥细胞不仅能感应蓝色，也可以感应到绿和一部分红色，绿视锥细胞不仅能感应绿，也可以感应一部份蓝和红，最后红视锥细胞也是如此。所以通过三种视锥细胞感应到不同波长光谱的比例，人类就能识别出视觉上除了红绿蓝之外的其他颜色。人造的大部分显示器，也都是利用这个特性来欺骗人类看到红绿蓝之外的颜色。

（二）国际色彩标准体系

1931 年，CIE（国际标准照明委员会）建立了一系列表示可见光谱的颜色空间标准，定义了 CIE-RGB 基色系统。规定了 RGB 系统的三原色光波长分别为 700nm，546.1nm，435.8nm 的红光（R）、绿光（G）、蓝光（B）。通过混色实验可以得到一组曲线，它们表示在 380nm - 780nm 范围内当各个光谱能量一样时，某一波长的光谱色与混色结果一样，并称这三条曲线为 CIE1931 RGB 系统光谱三刺激值曲线。但这一系统存在一个明显的缺点，计算颜色三刺激值时会出现负值，给大量的计算带来不便。

基于此 CIE 又推荐了 CIE-XYZ 系统，这个系统采用想象的 X，Y 和 Z 三种基色，它们代表红、绿、蓝三种原色。任何一种颜色都可以表示为： ，其中称 X、Y、Z 为该颜色的三刺激值。根据 CIE 的规定，三刺激值可由下面的公式计算得到： ，其中 P (λ) 是光源辐射的相对光谱功率分布， 是 CIE1931 标准色度观察者的光谱三刺激值，即图 2 中的曲线值。k 是归一化系数，物理意义是将光源的 Y 值归一化为 100，其计算公式为： 。

在获得颜色的三刺激值后，可以按下式计算出该颜色在 CIE1931 色度系统中的色品坐标： 。计算可见光 380nm - 780nm 的各个单色光的色坐标，用 x、y 作为直角坐标绘制出一个直角坐标图，并将各个点连接起来形成一个光谱轨迹，称为色品图。CIE1931 XYZ 色度图是所有颜色管理系统的基础，它包含了人眼可见的所有色度，在 CMOS 成像中，这些国际色彩标准体系为准确还原和处理图像色彩提供了重要的理论依据和技术指导。

 

五、CMOS 成像的关键步骤

（一）光信号的收集与聚焦

以 CMOS 二维阵列传感器为关键器件的成像系统，其首要任务是收集被拍摄物体反射或投射到 CMOS 感光阵列上的入射能量，并将它聚焦到一个图像平面上。如果是光学相机，成像系统的前端是一个光学透镜，这个透镜将观察到的场景投影到透镜的聚焦平面上。

来自照射源或光源的能量主要是通过被拍摄物体的反射（或透射）传送到成像系统的感光阵列上。这里提到的成像系统其核心部件就是 CMOS 二维阵列式传感器。与聚焦平面重合的传感器阵列，将产生与每个传感器接收到的光的总量成正比的输出。

例如，在实际应用中，当光线照射到物体上时，物体将部分光线反射出去。这些反射光线通过光学透镜进入成像系统。光学透镜根据其形状和材质的特性，将不同角度的光线汇聚到一个特定的平面上，这个平面就是聚焦平面。CMOS 二维阵列传感器正好位于这个聚焦平面上，从而能够接收到被物体反射并经过透镜聚焦的光线。

（二）信号的转换与数字化

数字或模拟电路将扫描传感器的输出，并把它们转换成模拟信号，然后再由成像系统的模数转换器 ADC 部分将其数字化。最终，我们将得到一幅数字化的图像。

当光线照射到 CMOS 传感器的感光元件上时，感光元件会根据接收到的光的强度产生相应的电荷。这些电荷是光信号转化为电信号的第一步。接下来，这些电荷会被传输到模拟电路中，在模拟电路中，电荷被转换为电压信号。这个电压信号与光的强度成正比，是一种模拟信号。

以一个具体的例子来说，假设 CMOS 传感器接收到的光越强，产生的电荷就越多，转换后的电压信号也就越高。这个模拟信号随后会被传输到模数转换器（ADC）中。ADC 的作用是将模拟信号转换为数字信号。ADC 通过对模拟信号进行采样和量化，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。

例如，假设 ADC 的分辨率是 10 位，那么它可以将模拟信号转换为 1024 个不同的数字值。这些数字值可以被计算机或其他数字设备读取和处理。最终，经过 ADC 转换后的数字信号就构成了一幅数字化的图像。每个像素点的数字值代表了该像素点接收到的光的强度，从而形成了一幅由数字值组成的图像矩阵。

 

六、成像质量的影响因素

（一）增益的应用与影响

模拟增益是芯片像素点感应光子，将光子转换为电荷，并最终转换为模拟信号后，对模拟信号进行放大的过程，此过程发生在模数转换之前。数字增益则是模拟信号通过模数转换成数字信号后，对数字信号进行放大的过程。

在不同环境下，增益对成像质量有着不同的影响。常态环境下，比如室外阳光环境，室内强光环境，通常不会增大增益，使其保持为 1x。随着环境亮度降低，需要慢慢调高增益。增益在放大图像信号的同时，也会把噪声放大。在夜景、室内光线弱等暗态环境下摄像，由于摄像头进光量少，不得不增加增益值以达到合适的图片亮度，但同时也带入了严重的噪声，使得图片中噪声表现尤为明显。

（二）相机特性与视频质量

1. 镜头：不同的镜头具有不同的特性，会影响成像质量。例如，相机镜头的焦段丰富，可根据 CMOS 的画幅来选择相场合适的镜头。同时，相机镜头在价格、重量上相比电影镜头具有优势。镜头的选择是提高画质的关键，准确的光电转换需要良好的镜头，以保证进入感光元件的光准确无误。
2. 分辨率：分辨率决定了图像的细节程度。较高的分辨率可以提供更多的像素，使图像更加清晰。但并不是分辨率越高视频质量就一定越好，像素的密度才能决定画面的清晰度，描述屏幕清晰度的正确单位应该是 ppi（像素每英寸）。
3. 帧速率：帧速率是指图像传感器每秒钟能够捕捉和处理的图像帧数。高帧率可以提供更平滑的图像流畅度，适用于快速移动的物体或实时应用。
4. 快门速度：控制曝光时间，影响相机总的光通量。在不过曝的前提下，增加曝光时间可以增加信噪比，使图像清晰。但曝光也不能无限增加，因为随着曝光时间增加，噪音也会积累。
5. 感光度：在民用数码相机、单反中，感光度有一个更常用的名字叫 ISO。增大 ISO，是增加感光器件对光的灵敏度。高感光度对低光照灵敏，同时对噪杂信号也灵敏，信噪比小，所以高感光度噪点也多。

在选择相机特性时，需要根据具体需求进行权衡。如果需要拍摄快速移动的物体，高帧率和较短的快门速度可能更合适；如果在低光环境下拍摄，可能需要提高感光度或增加增益，但要注意噪点的增加。同时，也要考虑分辨率和镜头的质量，以获得最佳的视频质量。