圖像傳感器
範良藻
圖像傳感器是傳感技術中最主要的一個分支，是PC機多媒體大世界今後不可缺少的外設，也是保安監控產業中最核心的器件。在知識經濟和信息社會已經到來的今天，它在我們的社會生活和個人生活中會有數不勝數的應用。
CMOS圖像傳感器和CCD攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。由於CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優點，所以在過去15年裏它一直主宰着圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在着像素大、信噪比小、分辨率低這些缺點，一直無法和CCD技術抗衡。但是隨着大規模集成電路技術的不斷髮展，過去CMOS圖像傳感器製造工藝中不易解決的技術難關現已都能找到相應解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質量。目前CMOS單元面積的像素數已可與CCD單元面積的像素數相比，從而使CMOS圖像傳感器也可以做到高分辨率。如果能將CMOS黑白與彩色圖像傳感器的信噪比再提高10dB，光照靈敏度再提高4～5倍，那麼CMOS圖像傳感器取代CCD器件就指日可待了。如果再考慮到CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、高集成這些過去沒有得到充分發揮的優點，在今後都能得到充分發揮，那麼一個嶄新的圖像技術時代即將來臨。據保守的估計，到2002年，CCD圖像器件市場的一半將被CMOS圖像傳感器取代。
美國OmniVision公司在OV5006系列低分辨率（352×288像素）攝像頭模塊的基礎上，經過多年的開發與研究，於1998年推出OV7500系列（彩色）和OV7000系列（黑白）模擬全電視信號輸出CMOS圖像傳感器以及OV7600系列（彩色）和OV7100系列（黑白）數字輸出CMOS圖像傳感器。這些CMOS圖像傳感器，不僅集成了全電視信號編碼器（OV7500系列）和A/D轉換器（OV7600系列），而且還集成了完整的彩色圖像信號處理器，從而成爲真正單芯片彩色圖像傳感器。OmniVision公司還在開發高分辨率（1024×768或1280×1024像素）的CMOS圖像傳感器。
數字/模擬混合彩色圖像處理器
無論是CCD彩色圖像傳感器還是CMOS彩色圖像傳感器，都需要彩色圖像處理器來完成自動白平衡、自動增益控制、自動曝光控制等圖像處理工作以及RGB到YUV的圖像格式轉換工作。通常都是用DSP當作彩色圖像處理器。實時彩色圖像的數據率非常高，所以要求DSP的處理速度也非常高。高速的DSP功耗很大，產生的熱量會影響CMOS圖像傳感矩陣的穩定性。高速的DSP還會引起很大的噪聲，嚴重干擾CMOS圖像傳感矩陣的工作。因此，目前分辨率較高的實時彩色CMOS圖像傳感器件，多采用兩片結構，把DSP做成另外一塊電路。
OmniVision公司獨創的數字／模擬混合彩色圖像處理器，不僅處理速度高，而且功耗非常低，不會對CMOS圖像傳感矩陣造成干擾，因此可以和CMOS圖像傳感矩陣集成在同一塊芯片上，成爲像素達310K的單芯片彩色實時CMOS圖像傳感器。這樣的模擬電路設計技術，不僅完全消除了由電路產生的固定圖案干擾，而且大大地降低了隨機干擾，提高了CMOS圖像傳感器感光靈敏度。傳感器芯片內還集成了自動白平衡、自動曝光控制（電子快門）、自動增益控制、自動亮度控制等功能。
用戶可以通過兩種數字控制方法，改變CMOS圖像傳感器的缺省參數，使得CMOS圖像傳感器更符合具體應用環境的要求。其中一種方法是通過在一些引腳上外接上拉或下拉電阻改變缺省參數，另一種方法是通過I2C總線編程CMOS圖像傳感器內部的寄存器來改變缺省參數。由於CMOS圖像傳感器的引腳數量有限，前一種方法只能改變一些最常用的缺省參數。後一種方法則可以改變所有的缺省參數。
通過I2C總線直接編程CMOS圖像傳感器內部的寄存器，可以改變以下主要參數：（1）亮度、色度、飽和度、白平衡、電子快門、自動增益控制等；（2）窗口大小、位置。利用這個功能，可以方便地實現電子變焦和電子鏡頭搖動；（3）數字圖像傳感器的場頻，從0.5場／秒到60場／秒；（4）掃描方式（選擇隔行或逐行掃描方式）；（5）軟件復位。通過I2C總線，復位圖像傳感器；（6）省電方式。
單芯片CMOS圖像傳感器，不僅芯片本身價格低，還大大簡化了外圍電路，外圍電路僅由石英晶體、三端穩壓塊和阻容元件組成。用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器組成的攝像頭，總體成本也大大降低。
CMOS圖像傳感器採用了數字／模擬混合圖像處理器，大大降低了圖像處理部分的功耗。芯片內還有低功耗方式和待機方式，可以進一步降低功耗，非常適合在便攜式設備中使用。
OV5006系列攝像頭模塊
OV5006系列CMOS攝像頭模塊包含兩個子系列：OV5016子系列和OV5026子系列。其中OV5016子系列是兼容PAL制式的，OV5026子系列是兼容NTSC制式的。OV5006系列CMOS攝像頭模塊的性能指標如附表所列。它非常適合於安全監視、可視門鈴、汽車後視、消費類電子產品、玩具、PC電視會議、可視電話、視頻電子郵件、PC多媒體等需要高質量、低成本黑白圖像的應用場合。
附表
| OV5016 | OV5026 | |
| 輸出方式 | 黑白CCIR兼容（50Hz） | 黑白EIA兼容（60Hz） |
| 規格 | 1/3英寸CMOS圖像傳感器 | 1/3英寸CMOS傳感器 |
| 像素 | 352×288 | 320×240 |
| 掃描方式 | 2：1隔行掃描 | 2：1隔行掃描 |
| 分辨率 | 優於255線（水平） | 優於255線（水平） |
| 視頻輸出 | 5Ω複合視頻(1Vp－p) | 775Ω複合視頻(1Vp－p) |
| 自動曝光控制 | 1／60至1／10000s | 1／60至1／10000s |
| 自動增益控制 | 18dB | 18dB |
| 伽瑪校正 | 0.45／1.0 | 0.45／1.0 |
| 信噪比 | >42dB(自動增益控制狀態) | >42dB(自動增益控制狀態) |
| 靈敏度 | 0.5lx | 0.5lx |
| 工作電壓 | 直流6～18V | 直流6～18V |
| 功耗 | 〈100mW（75Ω負載時） | 〈100mW（75Ω負載時） |
OV7600系列與OV7100系列圖像傳感器
OV7600系列和OV7100系列是完全可編程的數字單片攝像器件，其圖像矩陣爲640×480像素（307K）。這種通用的器件也可以320×240像素輸出CIF圖像格式（77K）。由於設計成方形像素和逐行掃描，OV7600和OV7100系列傳感器芯片是特別爲計算機應用而設計的。片上A／D轉換器可提供8位並行數字輸出，並百分之百地符合CCIR601／656規範。
OV7600和OV7100系列傳感器芯片把所有攝像機功能同圖像傳感器陣列集成在同一個芯片上。標準的攝像機功能包括自動增益控制（AGC）、自動曝光控制（AEC）、自動白平衡（AWB）、伽瑪校正、背光補償和自動黑電平校正。所有的彩色矩陣處理功能也集成在芯片上。這兩種器件允許從外部通過I2C總線來編程攝像機功能。
OV7600和OV7100系列這兩種最新產品，代表了多種計算機視頻應用中最好的低功耗低價位圖像傳感器。而且，它們與USB接口器件結合起來，均會產生一個適用於所有個人計算機視頻輸入應用的完美的低價位高質量USB攝像機。
這兩個系列芯片的應用還包括電視機頂盒、可視電話、質量檢查和智能保安監控系統。
OV7500系列和OV7000系列圖像傳感器
OV7500系列和OV7000系列是單片模擬攝像器件，芯片上帶有兩個可輸出高質量隔行圖像的全電視信號編碼器，適合於閉路電視（CCTV）應用。NTSC制（60Hz）編碼器輸出每秒30幀508×492像素的圖像（250K）。PAL制（50Hz）編碼器輸出每秒25幀628×582象素的圖像（365K）。僅需要加上5V電源和時鐘源，便可產生立即能接入電視機或錄像機的標準NTSC或PAL全電視信號。
OmniVision公司的新單片模擬圖像器件非常適合於許多應用場合，包括閉路電視系統、消費類產品、醫療儀器、計算機輸入、保安、監視系統等等。CMOS圖像傳感器本身具有體積小、重量輕、功耗低、高可靠和低價格等優點。OmniVision公司獨有的技術使得其CMOS圖像傳感器具有很寬的動態範圍，能抗浮散，幾乎沒有拖影。
OV7500和OV7000的設計力求使有關圖像的應用更容易實現。包括自動增益控制（AGG）、自動曝光控制（AEC）、自動白平衡（AWB）、伽瑪校正、背光補償和自動黑電平校正在內的許多功能都被集成在芯片上。OV7500系列還把全部的彩色矩陣處理電路集成在芯片上。片上的功能可以通過I2C總線接口來管理。
這兩個系列的CMOS圖像傳感器爲任何NTSC／PAL設備提供了高質量的圖像捕捉能力，有很大的市場應用，如個人計算機、個人數字助理和其它手持設備、消費類產品、保安監控和機器視覺設備。
OV511 ACUB
OmniVision公司最近發佈了OV511高性能攝像機到USB接口（ACUB）單片控制IC。它用於由通用串行總線傳輸的視頻應用場合。
OV511ACUB降低了產品的成本，極大地簡化了單片CMOS圖像傳感器（包括OmniVision公司的OV7600系列和OV7100系列）和USB的接口。僅增加256KDRAM和一個USB收發器，設計者可以很容易地完成基於USB的視頻子系統。現在製造商們可以利用新一代個人電腦上帶有的USB接口，開發出視頻和圖像外設。
OV511ACUB最大視頻傳輸速度的設計，使得系統能夠以更加實時的方式獲取大量的視頻信息。片內高性能專用壓縮引擎可以達到7：1的壓縮比，保證了從圖像傳感器到PC（控制器也支持在主機上的高速軟解壓）的快速圖像傳輸。對於CIF圖像格式，OV511
ACUB的壓縮引擎支持高達30幀／秒的傳輸速度，減少了低帶寬應用中通常會出現的圖像跳動現象。快速的準同步FIFO保證了壓縮後視頻圖像從壓縮引擎到USB的高速傳輸。
OV511ACUB提供了選擇CMOS單片攝像輸入器件的靈活性。有兩個端口支持16位YUV4：2：2／RGB原始數據。第三個端口支持8位YUV4：0：0／RGB原始數據。控制線有VSYNC和HREF，同時提供了CMOS攝像芯片用的時鐘。
作爲高度集成的接口器件，OV511ACUB既降低了系統總成本，又提高了產品的可靠性。它還具有可以控制256K視頻存儲器的高性能DRAM接口、完整的USB設備控制器和系統控制器功能。片內寄存器通過I2C輸入／輸出接口或OV511ACUB並行I／O總線編程。軟件與硬件同時控制的照相功能，可以在主機上設置好圖像格式以後，由攝像機上的快門控制照相，而不是用主機上的鼠標控制照相。
OV511ACUB芯片作爲圖像傳感器的補充，有足夠的靈活性，適合包括視頻會議、視頻電子郵件、計算機多媒體和保安監控等廣泛的應用場合。
CMOS圖像傳感器的應用
目前CMOS圖像傳感器的圖像質量仍稍遜於CCD器件。估計一年以後兩者的圖像質量就難分高下，至此凡是CCD器件已經佔領的應用領域，CMOS器件統統可以佔領。CCD器件由於功耗大、體積做不小等原因一直難以進入的應用範圍，CMOS攝像器件無一不可逐一去佔領。
北京千帆之家集團業已應用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器開發了不少產品，而且還在繼續開發產品。已開發成功的產品有：（1）超微型CMOS黑白攝像機（尺寸爲16×16×12mm）；（2）微型CMOS彩色攝像機；（3）無線發射嬰兒活動監視器；（4）汽車尾視裝置；（5）汽車貨櫃監視器。正在開發的產品有：⑴超微型彩色CMOS攝像機（尺寸爲22×22×14mm）；⑵汽車防盜圖像發射和接收裝置；⑶水下攝像機（帶無線發射）。
編者附記本刊將在今後陸續推出CMOS圖像傳感器的具體應用方案。關於CMOS圖像傳感器的銷售廣告見57頁。E－mail:[email protected]。