8、探测器、像素与信号处理

探测器、像素与信号处理

1. 引言

成像系统通常将现实世界中的物体或场景转化为二维图像，多数情况下，能在三维世界中的物体点与图像平面的点之间建立直接对应关系。

实际上，所有智能相机和机器视觉系统都包含一个将电磁辐射转换为电信号的传感器，以及将这些模拟信号进一步转换为计算机可处理的数字信号的设备。大多数机器视觉系统的基本功能模块相似，主要包括以下几个部分：
1. 收集辐射并将其投射到图像平面（如镜头、光学元件）
2. 将辐射转换为电子的探测器（如光电二极管）
3. 用于探测器读出和信号调理的电子设备（如有源像素传感器（APS）像素电路）
4. 实现像素信号读出程序的设备（如电荷耦合器件（CCD）移位寄存器）
5. 传感器元件和阵列的定时和控制电路（如电子快门）
6. 信号处理电子设备（如相关双采样）
7. 模数转换
8. 接口模块

在回顾成像相关的辐射基本特性后，接下来将探讨接收被观察物体或场景发出的电磁辐射，并将其能量转换为适合进一步处理的电信号的探测器。在成像系统中，通常使用二维传感器阵列来解析辐射的空间分布。往往是这种分布，或者阵列中各个传感器元件接收到的辐射的相对差异，携带了关于场景的所需信息。

辐射探测器和负责形成与辐射相关的电信号的前端电子设备组成的单元称为光感受器，它是视觉或图像传感器的基本传感元件。如今的成像器和视觉传感器中使用着几种基本类型的光感受器。不同的传感器和读出技术通常需要在阵列中的每个传感器元件内添加额外的电路，从而导致更复杂的像素电路。

原始探测器信号的调理或某种形式的预处理通常在像素级别进行。像素级信号处理的范围很广，从无处理、仅使