2.1 采集装置

要采集图像，需要使用一定的采集装置（设备）。采集装置的性能对采集过程及所采集图像的质量都有很大的影响。

为采集数字图像，采集装置需要包括两种器件：一种是对某个电磁能量谱波段（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件（传感器），它可以接收辐射并产生与所接收到的电磁辐射能量成正比的（模拟）电信号；另一种是数字化器件，它能将上述（模拟）电信号转化为数字（离散）的形式（模/数转换），以输入计算机。所以，图像采集装置的共同之处都是接收外界的激励并产生响应，然后把模拟的响应转化为数字化的信号，从而可被计算机利用。

以常见的X光透视成像仪为例，由X光源发出的射线从一端穿越物体到达另一端对X光敏感的媒体，这个媒体能获得物体材料对X光有不同吸收的图像信号。但如果将这个信号直接记录在胶片上，那么这个信号的数据并不能直接输入到计算机中，需要把这个信号转换为离散的量，才能被计算机所接受。

1.常用采集装置

用于可见光和红外线成像的采集装置早年主要有显微密度计、析像管、视像管等。近年得到广泛应用的主要是基于对光子敏感的固态阵的器件。

固态阵中一种典型的元件是电荷耦合器件（CCD）。以此为基础构成的CCD摄像机从20世纪 70 年代开始得到应用，目前仍是应用最多的一类摄像机，其中的固态阵是由称为感光基元（photosite）的离散硅成像元素构成的。这样的感光基元能产生与所接收的输入光强成正比的输出电压。固态阵可以按照几何组织形式分为两种：线扫描器和平面扫描器。线扫描传感器包括一行感光基元，它靠场景和检测器之间的相对运动来获得2-D图像。平面扫描传感器由排成方阵的感光基元组成，可直接得到2-D图像。固态平面传感器阵的一个显著特点是它具有非常快的快门速度（可达10-4s），所以能将许多运动定格下来。

从20世纪90年代开始，CMOS摄像机逐渐得到广泛应用。它基于互补型金属氧化物半导体（CMOS）工艺，其传感器主要包括传感器核心、模/数转换器、输出寄存器、控制寄存器、增益放大器等。传感器核心中的感光像元电路分3种。

（1）光敏二极管型无源像素结构：无源像素结构由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通，位于列线末端的放大器读出列线电压，当光敏二极管存储的信号被读取时，电压被复位，此时放大器将与输入的光信号成正比的电荷转换为电压输出。

（2）光敏二极管型有源像素结构：有源像素结构在像素单元上加入了有源放大器。

（3）光栅型有源像素结构：信号电荷在光栅下积分，输出前，将扩散点复位，然后改变光栅脉冲，收集光栅下的信号电荷转移到扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是输出信号。

与传统的CCD摄像器件相比，CMOS摄像器件把整个系统集成在一块芯片上，降低了功耗，缩小了尺寸，总体成本也更低，而且使得将图像采集和基本的图像处理放在同一个芯片上的“智能相机”成为可能。不过CMOS摄像机的噪声水平比CCD摄像机约高一个量级。

另一种近年来得到迅速发展的固体摄像器件是电荷注射器件（CID）。在 CID 摄像机的传感器芯片中，有一个和图像矩阵对应的电极矩阵，在每一个像素位置有两个隔离/绝缘的能产生电位阱的电极。其中一个电极与同一行的所有像素的对应电极连通，而另一个电极则与同一列的所有像素的对应电极连通。换句话说，要想访问一个像素，可以通过选择它的行和列来实现。

这两个电极的电压可分别为正和负（包括零），而它们的组合有 3 种情况，分别对应下列的CID工作的3种模式。

（1）积分模式：此时两个电极的电压均为正，光电子将会累加。如果所有行和列均保持正电压，则整个芯片将给出一幅完整的图像。

（2）非消除性模式：此时两个电极的电压一个为正一个为负，为负的电极累加的光电子将会迁移到为正的电极下。这个迁移将会在与第2个电极连通的电路中激发出一个脉冲，脉冲的幅度反映了累加的光电子数。迁移来的光电子会留在电位阱中，这样就可以通过电荷往返迁移来对像素进行反复读出而不消除。

（3）消除性模式：此时两个电极的电压均为负，累加的光电子将会流溢，或注射进电极间的芯片硅层中，并在电路中激发出脉冲。同样，脉冲的幅度反映了累加的光电子数。但这个过程将迁移来的光电子排除出电位阱，所以可用来“清零”，以使芯片准备采集另一幅图像。

芯片中的电路控制行和列的电极电压以采集一幅图像，并消除性地读出或非消除性地读出。这允许CID以任意次序访问每一个像素，以任意速度读出任意尺寸的子图像。

与一般的 CCD 摄像器件相比，CID 摄像器件对光的敏感度要低很多，但具有随机访问，不会产生图像浮散问题等优点。

2.基本性能指标

对图像采集装置来说，下面的几个性能指标常需要考虑（还有两个性能指标即空间分辨率和幅度分辨率在2.2.3小节详细讨论）。

（1）线性响应：指输入物理信号的强度与输出响应信号的强度之间的关系是否线性。

（2）灵敏度：绝对灵敏度可用所能检测到的最小光子个数表示，相对灵敏度可用能使输出发生一个级别的变化所需的光子个数表示。

（3）信噪比：指所采集的图像中有用信号与无用干扰的（能量或强度）比值。

（4）阴影（不均匀度）：指输入物理信号为常数而输出的数字形式不为常数的现象。

（5）快门速度：对应每次采集拍摄所需的时间。

（6）读取速率：指信号数据从敏感单元读取信号（传输）的速率。