2.2.1 信息采集概述

1．信息采集基本概念

信息采集是根据特定目的、要求将分散于不同时域/空域的信息采掘、积聚起来的过程。简单地说，信息采集就是获取信息，是对被检测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量和数值进行提取的过程。由于信息本身不具备传输、交换的功能，需通过一定的手段和方法才能转化为可感知的信号。信息系统确定了信息采集原理和测量方法后，就需要设计、组成信息采集系统。根据处理信号类型的不同，信息采集系统分模拟和数字两种。随着数字技术的发展，越来越多采用数字式采集系统采集信息，因而信息采集又称数据采集。

数据采集是将被测对象的各种参量通过各种传感元件转换后，再经采样、量化、编码、传输等，最后由控制器进行数据处理或存储记录。控制器是信息采集系统的核心，一般由计算机承担。

2．信息采集系统的组成

一般来说，信息采集系统的基本组成如图2-3所示。其中，前端传感器是信号输入通道的首要环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。

信息采集系统的关键是采集速度和精度。前者与采样频率、模/数转换（A/D）速度等有关；后者与A/D转换器位数有关。对任何物理量而言，都有一定的精度要求。提高信息采集速度不仅提高了工作效率，还扩大了信息采集系统的适用范围，便于实现动态测试。

现代信息采集系统主要特点：系统通常由计算机控制，采集质量和效率显著提高；信息采集与处理紧密结合，有利于系统一体化；采集系统实时性能满足更多的实际应用要求；VLSI的应用使信息采集系统体积越来越小，可靠性越来越高；总线技术对信息采集系统发展起着重要作用。

3．信息采集系统的分类

实际的信息采集系统通常要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输入通道更具普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道分为集中采集式和分布采集式两类。

① 集中采集式。集中采集式多路模拟输入通道结构包括分时采集和同步采集两种，系统构成分别如图2-4、图2-5所示。

② 分布采集式。分布采集式每路信号都有采样/保持器（S/H）和A/D转换器，故不需要模拟多路切换器。每个采样/保持器和模数转换器都只对本路模拟信号进行数据采集，采集的数据输入计算机进一步处理。根据采集系统中计算机控制结构的差异，分单机式采集和网络式采集两种，系统构成分别如图2-6、图2-7所示。

2.2.2 视频采集技术

安全防范系统涉及的信息采集有开关信号、视频信号、音频信号等。鉴于人类获取的信息70%源自视觉，视觉以特有的直观、准确、真实等特点，广泛应用于安全防范领域，下面以安全防范系统使用最为广泛的视频为例，介绍最常用的两种视频传感器：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）。

1．光电传感器

光电传感器是将可见光转换成某种电量的传感器，由光源、光学通路和光电元件等组成。它受到可见光照射后产生光电效应，将光信号转换成电信号。除测量光强外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量尺寸、位移、速度等。

光电传感器的光电效应指光照射到某些物质上，使该物质电特性发生变化的物理现象，分外光电效应和内光电效应两类。前者指在光线作用下，物体内的电子吸收入射光的能量后逸出物体表面向外发射的物理现象，光电管、光电倍增管等就是利用外光电效应制成的电真空器件；后者指在入射光照射下，半导体材料价带中的电子受到光子轰击，有价带跃入导带，使材料导带中的电子和价带中的空穴浓度增大，电阻率发生改变的一种现象，光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等均是利用内光电效应制成的光电传感器。

光敏二极管外形与普通二极管类似，只是管壳上开有嵌着玻璃的窗口，便于光线射入。无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小；有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴（光电载流子），在外电场作用下光电载流子参与导电，形成较大的反向电流（光电流）。光电流的大小与光照强度成正比，这样负载电阻就能得到随光照强度变化的电信号。光敏三极管发射结与光敏二极管一样具有光敏特性，有光照时集电结获得电流增益，故灵敏度很高。

基于光电传感器的检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且传感器结构简单、形式灵活多样，因此应用极为广泛。

2．CCD视频传感器

（1）CCD传感器概述

CCD是最常用的视频传感器，1969年由美国Bell实验室发明。它由光敏单元、输入结构和输出结构等组成，具有光电转换、信息存储和延时等功能，广泛应用于摄像、信号处理和存储等，尤以视频传感器的应用令人瞩目。

CCD视频传感器作为一种新型光电转换器已广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪及工业测量等。与摄像管相比，CCD视频传感器具有体积小、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元几何精度高、光谱响应范围宽、功耗小、寿命长、抗振性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等优点，已成为摄像机、数码相机（DC）、打印机、扫描仪、传真机、数码摄像机（DV）和多媒体系统的核心部件，在光电图像信息的采集、处理中起着重要作用。

（2）CCD传感器结构

CCD传感器结构如图2-8所示，包括微棱镜、滤色片、感光区。

① 微棱镜。CCD成像关键是感光层，为提高CCD采光率，需扩展像素的受光面积，但会降低图像质量。有了“微棱镜”，CCD感光面积不再由传感器的开口面积决定，而由微型棱镜片的表面积决定。

② 滤色片。CCD的第二层是“滤色片”，有三原色分色法RGB（R-红、G-绿、B-蓝）和补色分色法CMYK（C-青、M-洋红、Y-黄、K-黑），两种方法各有优缺点。RGB指人类可以识别的颜色均能由红、绿、蓝3种颜色按不同比例组合而成，优点是画质锐利、色彩真实，但存在噪声；CMYK指人类可以识别的颜色均能由青、洋红、黄、黑4种颜色按不同比例组合而成，多用于印刷业，但颜色种类不及RGB的多。

③ 感光区。CCD的第三层是“感光区”，该层将穿过滤色层的光源转换成电信号，并传输到影像处理芯片，实现影像还原。

（3）CCD传感器原理

CCD的光敏像元按一定规律排列组成，各像元都是MOS电容器（光敏二极管）。光线投射到MOS电容器时，光子穿过透明电极及氧化层进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。电荷的多少与光强成线性关系。电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷—电压变换，转换为模拟信号。

可见，CCD工作过程就是信号电荷的产生、存储、转移和检测，相当于模拟移位存储器。CCD工作过程如图2-9所示。

（4）CCD传感器分类

根据像素排列方式不同，CCD分面阵和线阵：前者把CCD像素排成一个平面；后者把CCD像素排成一条直线。目前，应用较多的是面阵CCD，根据结构不同分以下3种。

① 帧转移型CCD，由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域，优点是结构较简单且容易增加像素数，但CCD尺寸较大，会产生垂直拖影。

② 行间转移型CCD，是目前的主流产品，其像素群和垂直寄存器在同一平面，优点是价格低，易获得良好摄影特性。

③ 帧行间转移型CCD，是上述两种的复合型，结构复杂，但能显著减少垂直拖影，易于实现可变速电子快门。

（5）CCD传感器参数

CCD不同于大多数光电器件以光电流或电压为信号载体，它以电荷形式存储、转移信息。目前，面阵CCD以摄像机形式应用居多，其性能衡量包括光电转换特性、光谱响应、动态范围、暗电流、分辨率等。

① 光电转换特性。CCD光电转换特性如图2-10所示。图中，横轴为曝光量，纵轴为输出信号电压值。其光电转换特性应有良好的线性。特性曲线的拐点G对应饱和曝光量，当曝光量＞S _E 时，CCD输出信号不再增加，G点所对应的输出电压V _SAT 为饱和输出电压；当无光照时，CCD输出的电压值V _DRK 为暗输出电压。

② 光谱响应。目前，广泛应用的是以硅为衬底的CCD器件，其光谱响应范围为400～1100 nm。红外CCD器件用多元红外探测器阵列替代可见光CCD图像器件的光敏元部分，主要的光敏材料有InSb、PbSnTe和HgCdTe等，光谱范围延伸至3～5 μm和8～14 μm。

③ 动态范围。饱和曝光量和等效噪声曝光量的比值称为CCD的动态范围，数量级为10 ³ ～10 ⁴ 。

④ 暗电流。暗电流与环境温度密切相关，通常，温度每上升30～35 ℃，暗电流提高约一个数量级。它的存在限制了器件动态范围和信号处理能力。

⑤ 分辨率。分辨率是图像器件的重要特性，常用调制传输函数（MTF）来评价。

（6）关于CCD摄像机

CCD是摄像头的核心，多采用日本Sony、Sharp、Panasonic等公司生产的芯片。因为CCD芯片生产时等级不同，故视频采集效果各异。

CCD摄像机简单检测方法：接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大；然后打开光圈看静止目标，如果是彩色摄像头，最好摄取色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色、扭曲，色彩或灰度是否平滑，高质量CCD能很好地还原景物的色彩，物体清晰自然。

CCD摄像机通常按以下方法分类。

① 按成像色彩划分。分彩色和黑白：前者适用于景物细节、颜色辨别；后者适用于光线不足的环境及夜间无法安装照明设备的区域。若仅仅监控目标的位置或移动，多选黑白摄像机。

② 按CCD靶面大小划分。目前，多采用1/3″和1/4″。对摄像角度要求较严格的场所，CCD靶面大小、CCD与镜头的配合等直接影响视场角大小和图像清晰度。

③ 按照度划分。普通型，正常工作所需照度为1～3 lx（勒克斯）；月光型，正常工作所需照度约0.1 lx；星光型，工作时所需照度小于0.01 lx；红外型，采用红外灯照明，没有光线的情况下也能成像。

CCD彩色摄像机主要技术指标包括以下方面。

① CCD尺寸。即摄像机靶面的大小，原多为1/2″，现在1/3″的已普及化，1/4″和1/5″也已商品化。

② CCD像素。CCD的主要性能指标，决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。

③ 分辨率。彩色摄像机典型分辨率为320～500线，分辨率不但与CCD及镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关。通常，1 MHz频带宽度相当于清晰度80线，频带越宽图像越清晰，线数值相对越大。

④ 灵敏度。CCD对环境光线的敏感程度，即CCD正常成像所需的最暗光线。该值越小，表示需要的光线越少，摄像头越灵敏。

⑤ 信噪比。典型值为46 dB；50 dB有少量噪声，但图像质量良好；60 dB图像质量优良，几乎没有噪声。

3．CMOS视频传感器

（1）CMOS传感器概述

20世纪60年代末，美国Bell实验室提出固态成像器件概念后，固体视频传感器发展迅速，CMOS传感器与CCD传感器的研究几乎同步，但受当时工艺水平的限制，CMOS视频传感器的图像质量差、分辨率低、光照灵敏度不够。而CCD视频传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为市场主流，但工艺方面的原因导致CCD敏感元件和信号处理电路不能集成于同一芯片，故摄像机体积大、功耗高。70年代初，CMOS传感器制造成功；80年代，第一块单片CMOS试制成功；1995年，分辨率128×128的CMOS有源像素视频传感器研制成功；1997年，英国VLSI Version公司首次实现CMOS的商品化。但CMOS视频传感器一直没有克服光照灵敏度差和图像分辨率低的缺点，图像质量无法与CCD相比。

近年来，视频传感器芯片设计的改进及亚微米、深亚微米级设计增加了像素内部的新功能，CMOS视频传感器的缺点逐步克服，同时保持了体积小、质量小、功耗低、集成度高、成本低廉等优点，因而逐渐成为研究热点，在视频传感器市场独树一帜。

（2）CMOS传感器原理

典型的CMOS传感器芯片结构框图如图2-11所示。

CMOS像素阵列如图2-12所示。按照像素阵列单元结构的不同，分无源像素单元、有源像素单元和对数式像素单元，3种像素阵列单元各有特点，但工作原理基本相同。

CMOS视频传感器原理：光照射到像素阵列时发生光/电效应，在像素单元产生相应电荷；行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素单元内图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中，行选择逻辑单元既能对像素阵列逐行扫描也可以隔行扫描，行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用即可实现图像的窗口提取功能。由于感光元件生成的模拟电信号太微弱，无法直接进行A/D转换，须放大处理，CMOS传感器中每个感光元件都直接集成了放大器和A/D转换器，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后转换成对应的数字信号。

由于无法保证各像素点放大率严格一致，致使放大后的图像数据无法精确代表拍摄物体的原貌，体现在最终的输出结果上就是图像出现噪声，因此CMOS图像质量低于CCD，但它把整个图像系统集成于一块芯片，降低了功耗，具有质量小、占用空间小及成本低廉等优点。

4．CCD与CMOS的差异

CCD与CMOS是目前广泛采用的两种视频传感器，都利用感光二极管进行光/电转换，但电荷读出方式不同。安全防范领域，监控摄像机多为CCD，网络摄像机多为CMOS。从技术角度比较，CCD与CMOS差异如下。

① 信息读取方式。CCD存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位地转移后读取，电荷信息转移、读取、输出需时钟控制电路和三组不同的电源相配合，较为复杂；CMOS传感器经光/电转换后，各像素点有单独的放大器转换输出，能快速处理大量数据，输出高清影像，较好地满足高清网络摄像机的需求。

② 速度。CCD在同步时钟控制下以行为单位逐位输出信息，无法满足高速读取高清数据的需要；CMOS光电传感器采集光信号直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，没有CCD的“瓶颈”问题，速度比CCD快很多。

③ 成像质量。CCD起步早、技术成熟，采用PN结PbSiO ₂ 隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS有一定优势；CMOS集成度高，各光电传感元件、电路间距离很近，相互间光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响较大，电路消噪技术的发展为生产高品质CMOS视频传感器提供了良好条件。

④ 电源及耗电量。CCD大多需要3组电源供电，功耗较高；CMOS光电传感器只需一个电源，功耗较低，仅为CCD的1/8～1/10。

⑤ 成本差异。CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；CMOS传感器使用与制造半导体器件基本相同的技术和工艺，且成品率高，制造成本低。

两种视频传感器优缺点比较如表2-1所示。可以看出，CMOS传感器在制造成本、功能集成、功耗特性等方面有优势；CCD在灵敏度、像素规模及噪声控制等方面有优势。