理论知识
CMOS相机和CCD相机之间的像素合并(Binning)的区别
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时间:2021-04-25 12:58:27

       CMOS相机CCD相机在技术之间存在很多差异,其中一个方面是它们如何处理像素合并(Binning)。本文将探讨CMOS和CCD之间像素合并的主要区别,并说明它们的含义。

什么是像素合并(Binning

       简而言之,在CCD和CMOS中,像素合并是将图像中的像素合并为“超级像素”的技术。它通常以2×2或3×3等形式进行。在这种情况下,单个像素中的信号被组合成超级像素。这有助于提高信噪比(SNR)。但是,由于它包含较少但较大的像素,因此也会降低图像的分辨率。CMOS的像素合并过程在像素数字化完成后在软件中进行,而CCD的像素合并过程是在硬件或“芯片上”进行。

       为了使该过程可视化,下图(1)有4个像素(蓝色),每个像素包含一个电子e-(红色)。

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图(1)

      在对像素进行合并时,我们将它们的值加在一起,如图(2),以创建一个包含所有4个电子e-的像素。

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图(2

       因此,这是2×2合并的一种非常基本的解释方式。为了帮助解释,下面图(3)是一个示例,说明如何在16个像素的情况下进行2×2合并。 它们变成了4个超级像素,同时仍然保持着与未被合并时的对应电子等效的电子数量。

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图(3)

总结;什么是像素合并(Binning

  •  合并相邻像素,最常见的是正方形网格(2×2、3×3、4×4)
  •  像素组合成一个“超级像素”
  •  像素合并可提高SNR,但要以降低分辨率为代价
  •  在数字化之后,CMOS像素合并(binning)在软件中进行
  •  在数字化之前,CCD像素合并(binning)在芯片上进行

CMOS和CCD像素合并有何不同?

       像素合并的主要原因之一是检测微弱信号。通常将检测极限定义为信噪比(SNR)为1的点,这意味着信号等于噪声。在信号微弱的情况下,噪声只是相机的读取噪声。因此,如果我们获得3个电子(e-)的读取噪声和3e-的信号,则SNR为1,该物体几乎可以被检测到。

       CCD技术允许在从传感器读取像素之前在模拟域中合并像素。所以以上面2×2超级像素的示例为例,它将具有来自所有4个单独像素的信号;4x3e- = 12e-。若我们仍然只有3e-的读取噪声时,当读取一次超级像素时,信噪比(SNR)就是12/3=4,换言之,是原来的4倍。

       CMOS技术的不同之处在于,像素在被读出之前不能合并成超级像素。我们所能做的是在计算机上读出这些像素后,用数学方法把它们合并。每个超级像素再次从其先前的单个像素接收信号值,但是由于这是在像素被读出之后发生的,因此读取噪声也会增加。然而,读取噪声的增长率低于信号的速率,从而提高了信噪比。我们来看看它背后的一些数学知识。

      还是上面的示例,信号仍然是4x3e- = 12e-。但是,各个像素已经被数字化,并且每个像素都有3e读取噪声。如前所述,图像中的噪声不会作为正态相加而累积,而是遵循统计分布,即所添加像素数的平方根。因此,在这种情况下,我们的CMOS超级像素的噪声为3e-x4 / sqr4 = 6e-。因此,现在我们的SNR为12/6 = 2,是不进行合并处理时的两倍,但不如CCD技术那么好。随着合并量(3×3、4×4等)的增加,CCD和CMOS中信噪比之间的差异也将加大。

总结

     CCD像素合并(Binning)是一种非常强大的技术,可以提高灵敏度,但会降低分辨率。应用程序如下:

  •  短时间曝光以查找对象是否在图片中居中
  •  在LRGB成像中捕获RGB数据
  •  将相机与长焦距望远镜匹配
  •  指导性
  •  成像微弱的物体

      像素合并(Binning)在CMOS相机中效果较差。CMOS传感器的读取噪声往往会低于CCD,这使像素合并的水平降低,但随着合并在一起的像素数量增加,它实际上包含了每个像素的读取噪声。其他处理技术(例如降噪,调整大小和重新采样)可能更擅长于从CMOS数据中提取最佳信号。

注:本文为译文,仅供参考。

原文网址:https://www.atik-cameras.com/news/binnning-the-differences-between-cmos-and-ccd/     

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