CMOS图像传感器的噪声分析及图像处理

华中科技大学硕士学位论文CMOS图像传感器的噪声分析及图像处理姓名：和文娟申请学位级别：硕士专业：光电信息工程指导教师：杨克成2011-01-06华中科技大学硕士学位论文I摘要随着大规模集成电路制造工艺及设计技术的发展，CMOS图像传感器具有成本低，功耗低，高集成度等优点，并且在成像水平上接近甚至超过CCD图像传感器，具有非常广阔的应用前景。本论文以CMOS成像系统为研究对象，分析了CMOS图像传感器的噪声，并对图像传感器在实验中得到的数字图像进行了降噪处理实验。本论文主要有三部分内容，首先我们分析了CMOS图像传感器的模拟噪声类型，主要以时间和空间噪声为分类基础，详细介绍了三维噪声模型的原理。在此基础上，我们设计了一个基于三维噪声模型理论的图像传感器时间和空间噪声测量实验。利用试实验成像系统拍摄一系列均匀背景图像，然后对所拍摄图像进行一系列的分析和处理，得出时间噪声和空间噪声在不同照度下的具体值，并得出其变化趋势。CMOS图像传感器在经过数模转换后会产生数字噪声，本论文对传感器实验后得到的数字图像进行了降噪处理实验。在中值滤波和均值滤波的基础上，加入噪声判别部分，设计混合噪声降噪处理算法，运用MATLAB语言进行编程并进行实验，首先进行噪声判别，然后根据噪声判别的结果进行降噪处理，实验结果表明本算法具有比较好的降噪效果。在实际应用中，特别是在光线较暗的情况下，成像系统会采取加补充光源的方法来增加曝光量。本论文中对成像系统的不均匀性，主要是光源造成的不均匀性，其余还有光学系统的渐晕效果，成像系统的暗电流及光响应的非均匀性等进行了探讨，并采用校正矩阵的方法进行校正，经实验验证这种方法具有很好的校正效果。关键词：三维噪声模型图像增强CMOS图像传感器华中科技大学硕士学位论文IIAbstractWiththedevelopmentoflargescaleintegratedcircuitmanufacturinganddesigntechnology,CMOSimagesensorswithlowcost,lowpowerconsumption,highintegration,etc.,andclosetoorabovethelevelimagingCCDimagesensor,hasaverybroadapplicationprospects.Atfirst，inthisthesisweanalyzedtheanalognoiseofCMOSimagesensor,mainlybasedontimeandspacenoise,thisthesisdescribedthree-dimensionalnoisemodel.Onthegroundofitwedesignedathree-dimensionalnoisemeasurementtestsystem.Andthenwecaptureaseriesofpicturesofhomogeneousbackground,afteranalysisandprocessthepictures,wecangetthevalueoftimeandspacenoiseunderdifferentillumination,andreacheditstrend.ThedigitalnoiseofCMOSimagesensorswillbegeneratedindigital-analogconversion.Inordertominimizethenoiseofdigitalimage,it’snecessarytodealwiththeimagecollectedbyCMOSimagesensoratthebank-end.ExceptmedianfilterandGaussianfilter,identificationpartofthenoisewasaddedtoprogram.Accordingtothemethod，theimagewasprocessedinsimulatedenvironmentMATLAB.Firstthetypeofnoisewasindentificated,thenprocessitAccordingtotheresultsoflaststep.Andthismethodshowsaverygoodeffectonnoiseminimizationbytheexperiments.Inpracticalapplication,especiallyunderthesituationofdarkishlight,theimagingsystemwilltakethemethodofaddingadditionallightsourcetoincreaseexposure.Inthispaper,theinhomogeneityoftheopticalsystem,especiallytheinhomogeneitythatthelightcaused,asymptoticstunintheopticalsystem,darkcurrentintheimagingsystemandheterogeneityofthelightresponsewerediscussed.Thisthesisusesthecalibratedmatrixmethodforcalibration,andthismethodshowsaverygoodcorrectioneffectbytheexperiments.Keywords：Three-dimensionalnoisemodelImageenhancementCMOSImagesensor独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论由于大规模集成电路的发展和CMOS图像传感器本身具有的一些优良特性，CMOS图像传感器（CIS）吸引了越来越多的注意力，目前CMOS图像传感器的应用领域包括移动电话照相机，数码相机，玩具，摄像机，视频会议，安全监控，医疗设备，车载成像系统等方面。CMOS图像传感器的年销售额在04年到08年一直保持34%的年增长率，在固体图像传感器领域，CMOS具有很大的优势，如高集成度，低功耗，小型化，低制造成本等[1]。1.1图像传感器概述图像传感器是用来完成图像信息光电变化的功能器件，图像传感器的发展历史悠久，种类很多。1934年就已经研制出光电摄像管，1947年研制出超正析像管，1954年高灵敏摄像管投放市场，1965年推出氧化铅摄像管，1976年研制出硒靶管和硅靶管。目前，图像传感器的主流产品有CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互补金属氧化物场效应管）两大类。美国贝尔电话实验室在七十年代初研究出CCD（电荷耦合器件）的工作原理，随之图像传感器进入了跨越式的发展时代，图像传感器的输出方式从真空电子束扫描方式发展到固体自扫描输出方式。CCD图像传感器的自扫描输出方式能够消除电子束扫描造成的图像光电转换的非线性失真。而且在体积、重量、功耗及制造成本方面具有电子束摄像管根本无法达到的优势。1969年出现的CMOS图像传感器，是一种可以利用通用的芯片制造工艺将放大，数模转换、存储电路、DSP和计算机接口电路等集成到芯片中的图像传感器件，虽然CMOS图像传感器比CCD图像传感器还早一年出现，但是在之后的很长时间，由于当时大规模集成电路工艺的限制，CMOS传感器存在成像质量差，像敏单元尺寸小、填充率低、响应速度慢等缺点，只能应用于对图像质量要求不高，尺寸较小的器件中。早期的CMOS器件采用无源像素结构，没有信号放大及信号处理电路，性能比较差。九十年代以后，出现了有源像素结构，除光敏元件和华中科技大学硕士学位论文2寻址开关外，还有信号放大电路和信号处理等电路，减小了噪声，提高了光电灵敏度，扩大了动态范围，从而在性能参数方面接近甚至超过CCD图像传感器，在尺寸，成本，功耗方面优于CCD，所以在越来越广泛的领域得到了应用[2]。CMOS图像传感器发展到现在，经历了四代技术进步，最先出现的是1967年由Wecklert提出的CMOS-PPS（CMOS无源像素传感器）[3][4]，其基本的像素结构是由反向偏置光敏二极管和开关管组成。第二代是在1968年，由Nobel首先提出来的光敏二极管型有源像素结构(PD-APS)的图像传感器[5][6]，基本原理是在像素结构内集成放大元件，使信号在像素单元内就进行放大。CMOS无源像素传感器和CMOS有源像素图像传感器输出的都是模拟信号，第三代CMOS图像传感器在芯片内集成数模转换模块，即CMOS数字图像传感器(CMOS-DPS)[7][8][9]。第四代是在2002年初，Foveon公司发布的FoveonX3全色图像传感器，它由单个像素感应全部色彩，是根据硅对不同波长光线吸收效应的不同来设计的分层感应结构。1.2国内外CMOS图像传感器的发展现状CMOS图像传感器是1969年由美国航空航天局研制成功，虽然比CCD的出现早一些，但是由于受到当时大规模集成电路工艺的限制，灵敏度、分辨率、噪声等方面性能都比较差，所以基本上在九十年代以前，CCD一直是图像传感器市场的主流器件。1989年以后，出现了有源像素CMOS图像传感器，随着超大规模集成电路技术的发展，CMOS器件具有了很高的集成度，可以在片内集成光敏元件，数模转换，数字信号处理器，增益控制电路，自动曝光处理，放大及存储电路，甚至具有运算和可编程功能的DSP等，可以采用成熟的集成电路生产工艺，有利于降低设计和生产成本，得到了很大的发展，另外，CMOS器件具有单电源和低工作电压（3~5V）的优点，在很多成像性能方面已经超过CCD，成为研究的热点。美国Foveon公司于1997年成立，在2003年推出了F7X3-C9110全色CMOS图像传感器和F19X3-A50全色CMOS图像传感器，其中F19X3-A50像素为1420×1060具有40MHZ的12位数模转换器和数字处理单元，采用了该公司研发的X3技术[10]。美国SiliconVideo（SVI）公司在2003年收购PVS公司后，利用PVS的专利技术研制华中科技大学硕士学位论文3成功LIS-1024，ELIS-1024和SLIS-2048线阵CMOS图像传感器。SLIS-2048CMOS图像传感器参数为：扫描频率60MHZ，灵敏度5μV/e，填充系数99%，动态范围63dB[11]。2003年美国安捷伦科技推出ADS-1021，像素大小为352×288，跟之前的产品相比，体积和封装厚度都有很大的减少。美国Omnivision公司开发的图像传感器产品型号有OV2000、OV5000、OV6000、OV7000等系列产品，其中2005年开发的OV2640是1/4英寸的图像传感器，最大的特点是OmniPixel2架构的改进设计，OmniPixel2的优点是可以解决在像素间隔缩小的同时信噪比随之下降的问题，灵敏度为0.6V/Lux-sec，动态范围为5