Understanding CMOS Image Sensor( 九 ) _像素密度

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1.10 与CCD的对比
CCD技术的发展起源于1960年代，在2000年以前曾是image的主流解决方案，下图对比了CCD和CMOS读出方式的主要区别。

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如图所示， CCD 器件通常只有一个电荷-电压转换器（- ），当读出像素数据时，每一行像素中积累的电荷需要在行电压的控制下一步步“蠕动”到下一行，直到最终抵达阵列所属的行缓冲（row ），然后开始在列电压的控制下继续一步步“蠕动”到阵列出口处的电荷-电压转换器，完成读出过程。

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CCD的一个主要优点在于所有像素共享同一个电荷-电压转换器，所以像素一致性非常好。相比之下CMOS每个像素都有自己专用的电荷-电压转换器，一致性很不容易控制。
当CCD像素数多于200万时，所有像素共用一个电荷-电压转换器会严重影响读出速度，所以此时会考虑把像素设计成两个或四个阵列，每个阵列配备专用的行缓冲和电荷-电压转换器，可以成倍加快读出速度。
写到此处笔者回忆起一个沉痛的往事。笔者一好友曾试图对接某国产高端，由于自己研发实力有限，便求助于北京的朋友空闲之余帮忙做做，结果不出意料地半年没什么结果。朋友有点着急了，付了50万研发费委托深圳本地的公司帮忙开发，该公司的主要业务是设计生产国产FPGA ，接单的主要动力是推广自家的FPGA 。出图到是比较顺利，但是朋友很快发现国产FPGA 体积大功耗高，无法满足量产需求，于是朋友要求承接方提供源代码以迁移到X家FPGA ，不料承接方以合同金额不包括源代码为由拒绝提供，于是50万瞬间沉没。万般无奈朋友只好雇人自己开发FPGA ，如是就遇到了四个阵列输出不同步的问题，厂家也讲不清楚四个阵列的输出时序到底该如何预测，好像是想输出谁就输出谁，什么时候高兴什么时候输出。这就给FPGA设计增添了巨大的难度，朋友雇的年轻人无法应对如此巨大的技术挑战，坚持半年后离职，项目最终流产。
1.11 改进的曝光方式
曝光
为了改善曝光方式存在的问题，有人提出了曝光和读出方式，如下图所示，新的曝光顺序将一帧拆分成8组，第一组包含行号 {0,8,16,24...} ，第二组包含行号 {1,9,17,25,...} ，以此类推，第八组包含行号 {7,15,23,31,....}。这种曝光方式的优点是组与组之间的曝光延时为一帧时间的八分之一，以1080p@30fps 为例，一帧的读出时间大致在28ms左右，在新的曝光方式下像素间的最大曝光延时仅为3.5ms ，可以更好地捕捉运动场景。

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斩波曝光（）
在智能交通领域常会遇到拍摄交通信号灯的需求。大部分信号灯直接使用220V市电供电，因此会存在10ms的光能量周期（美国是110V ，周期8.3ms）。偶尔也会有信号灯厂家偷工减料，使用半波整流器件将电频率的负半周过滤不用，这就导致信号灯每亮10ms之后就会熄灭10ms 。虽然人眼看不出来，但看的非常清楚。P.S. 遇到这种偷工减料的信号灯，一般可以要求业主更换信号灯供应商，并拉黑原供应商。