第二节 数字图像输入设备图像通常以扫描方式逐行逐点的输入。它可为电扫描方式，如电视摄像机、CCD摄像装置、飞点扫描器等。也可为机械扫描方式，如微密度计、扫描鼓等。
经图像扫描获得的连续模拟电信号必须经A／D变换器数字化。由于读者已熟悉A／D变换器的原理。但是，电视信号的上限频率
.如采用逐点取样方式，对A／D变换器要求较高，成本也较贵。同时送入计算机要有快速数据通道或额外增加大容量的缓冲寄存器，这在一般情况下并不需要，只在对电视信号实时处理时，才采用逐点取样方式。
在非实时图像处理的情况下，解决此问题的办法是不采用逐点取样的方式，而采用纵行（垂直）取样的方式。这是一种“快扫慢采”，按列取样的输入方式。这种方式是每行取一点，每场或隔行取一行。在逐场纵行取样时，每二次相邻取样之间（即取样周期）为
;在隔场纵行取样时，取样周期为
。对应的A／D变换器的取样频率应为
或
。在逐场取样时，完成一幅
象素的图像取样所需的时间为
，这对于一般非实图像处理是允许的。
对于机械式扫描的图像输入设备，其信号变化的最高频率较低，一般A／D变换器的取样频率只要求几
至几百
。
计算机的送数接口电路可采用二种方式。一种是中断请求方式，由于数字图像的信息量大，此方式所需的送数时间较长。另一种方式是采用DMA（直接存储器存取）通道接口，由于输入数据不经CPU，直接存入存储器，可大大提高信号送入计算机的速率。
在采用小型计算机或微型计算机系统时，由于内存有限，需将图像信息先送到磁盘等外存储器，然后再送至计算机进行处理。对于大型计算机系统，或内存容量大（如1M字节以上）的小型计算机和高档微型计算机系统，可将图像信息直接送至内存储器存储或处理。
（一）引言
电视摄像输入设备是目前最常用的图像扫描输入设备。他即可对照片、胶片，也可对现场景象取象。同时，还可使用电视监示器，即可显示处理前的原始图像，又可显示处理后的图像，十分灵活方便电视摄像输入速度快、灵敏度高、结构轻巧、价格低廉、一机多用等优点。其缺点是分辨率较低、灰度级少、噪声也较大。
电视摄像机是整个设备的核心部分，他的性能好坏直接影响到输入设备的质量，其中的关键不见是摄像管。电视摄像机是在同步电路提供的行、帧同步脉冲的作用下，处于“外同步”工作状态。由于电视摄像机输出的视频信号的幅度
，为了能与A／D变换妻输入电平相配合，需有视频放大电路进行放大。窗口电路的作用是对图像中某些感兴趣的区域进行裁剪
（二）摄像管
摄像管是将光像信息转换成电像信息的传感器，它是利用光电材料的光电效应事项光电转换的。电视摄像管所用的光电材料多为半导体材料，它可分为外光电效应和内光电效应两类。
对于具有外光电效应的光电材料，当受光照射后，就发射光电子，形成光电流。光电流的大小与光通量成正比，因此光电转换效率较低。利用外光电效应的摄像管通常称为影像型，典型的是超正析象管。它虽然有灵敏度高、图像分解力强、惰性（对光照反应的速度）小的优点，但由于其结构复杂、体积大、靶面均匀性差、调整困难等缺点，目前已为内光电效应的摄像管所代替。
内光电效应的摄像管通常称为光电导型摄像管。当具有内光电效应的光电材料受到光照射后，亦发出光电子，但这些光电子立即成为参加内部导电的自由电子，因而降低了材料的电阻率，降低量的大小与光通量成正比，光电转换效率高。其缺点是惰性较大。
视象管的结构主要由电子枪、线圈及光电靶三部分组成。线圈装在管外，有聚集，偏转几校正线圈。电子枪包括灯丝、阴极，控制栅极、加速极（第一阳极）和聚焦极（第二阳极）。灯丝用来加热阴极，使阴极产生热电子发射。阴极为表面涂有氧化钡或氧化锶等活性材料的金属元件，目的是提高电子的发射效率。控制栅极用来控制电子束电流的大小，加速极用来产生一个对电子的加速电场，并在加速极与控制极之间形成电子透镜，对电子束进行初步聚焦。聚焦极的主要作用是使电子束聚焦，其所加电压在
之间，可用装在管外的电位器进行调节，称为电聚焦调节。它与加速极形成的电子透镜起辅助作用。为了使聚焦作用良好，使用了二个聚焦极。同时，为了进一步提高分辨率，使光点细小（电子束直径为0.1mm），另外还采用了磁聚焦系统（聚焦线圈），它使电子束更进一步聚焦。
偏转线圈产生偏转磁场，使电子束扫描。校正线圈的作用是克服散焦影响。该散焦是由于电子枪中各元件的几何形状误差及偏转聚焦部件的相互影响而产生。
光电靶的靶很薄，其左边向着图像的一侧为信号板，它是均匀喷涂在玻璃板上的一层透明金属导电层，其特点是透明度高、导电性能好。靶的另一侧为光电阴极，它由蒸镀在信号板上具有内光电效应的一层材料所构成。在靶的右面装有网电极，它一般与聚焦极2相连，作用是形成均匀电场，使电子束在整个靶面上都垂直上靶
由于信号板上的工作电压比加速极的电压要小得多，使扫描电子束上靶前已减速，这扫描称为慢电子束扫描。当电子上靶后，靶电阻迅速下降，产生电流，流过负载电阻
。由于靶面各点因图像或景物光照不同而有不同的电导，电流的大小将随着电导值的不同而变化。故当电子束扫描时，负载
上所形成的电信号就反映了图像或景物的亮度变化，这就将“光像”变成了“电像”
视象管的工作原理：靶上每个象素用一个
并联电路表示，整个靶上共有几十万个象素。当靶面无光照射时，各象素的电导（暗电导）很小。在电子束扫过某一象素时，象素与电源
和阴极形成通路，电容被充电，其左极板电位上升到
，右极板为阴极电位。当电子束离开后，电容通过电阻放电，由于此时暗电导小，所以放电极慢。在两次扫描间隔期内，电容右侧电位仅上升很小的量
。当该象素受到下一西扫描时，右侧电位又恢复到阴极电位，这时的充电电流称为暗电流。显然，当光电材料的电阻率很大时（
很大），这个暗电流就很小。
当靶面受到光照射时，各象素的电阻值随照度大小不同而改变。照度大处其电阻小，放电快，在两次扫描的间隔时间里，电容右侧电位上升量大；照度小处其电阻大，放电慢，在两次扫描的间隔时间内，电容右侧电位上升量小。因此，在一帧时间内，在靶面上便形成了与图像明暗分布相对应的电位高低分布的电图像。经过电子束扫描，这幅电子图像就转变为随时间变化的图像信号。由于象素亮时流过
的电流大，暗时流过的电流小，所以在负载
上输出的是负极性的图像信号。
视象管的优点是结构简单，体积小，成本低，调整方便，只需调节电子束电流，电子聚焦和信号板电压就可得到较满意的性能。此外，视象管的灵敏度及分辨率都较高（仅次于超正析象管），信噪比也较高。视象管的主要缺点是惰性大，对高速运动的物体，摄取的图像模糊，尤其在低照射度时更为严重，为此，在使用视象管时应提高图像的照度。
光电导型摄像管还有硅靶摄像管、氧化铅摄像管等类型，其结构与上述的视象管相似，所不同的只是灵敏度较高、惰性较小、光点特性较理想的优点。而且，硅靶不易被强光和电烧伤，使用寿命长。它主要缺点是暗电流较大以及制造工艺要求较严。
（三）电视摄像输入装置举例
典型的电视摄像输入装置的原理框图如下图所示。它采用“快扫慢采”体制，其基本工作原理简述如下：
图 11-2-1 电视摄像输入装置框图
电视摄像机在同步电路提供的行、场同步信号的作用下，将输入图像的光信号转换成连续的电信号－－视频电压信号。然后经过放大和电平移动，取得合适的信号幅度，并使摄像机输出的同步信号移至A／D变换器的量化范围以外，以使A／D的量化范围得以充分地利用。经放大平移后的信号，在窗口取样脉冲的控制下进行A／D转化，将连续的模拟量变换成离散的数字量。该数据一路经送数接口电路送至计算机内存，接口电路可采用PIO、8255等并行接口，由微型计算机通过直接查询方式、中断方式等输入内存。另一路通过D／A变换器恢复成模拟量，由选择开关
送至电视显示器，以便监视对原始图像的数字化情况；或者也可通过二值图像形成电路，监视其在选定阙值下的二值图像的情况。
该装置利用窗口电路进行硬件窗口裁减，使用十分灵活方便。其采样窗口的位置和几何尺寸，可由四组三位拨盘开关（行上限、行下限、列上限、列下限）预置设定。要开一个长
、宽
的窗口，只需将“行上限”预置为
，“行下限”预置为
，“列上限”预置为
，“列下限”预置为
就可以实现。有下图所示的窗口电路可知，当行计数器计到
时，行上限符合电路就发出行上限符合脉冲将
触发器置1；当计到
时，行下限符合电路发出行下限符合脉冲将
触发器置0，此零电平通过或门1关闭取样门。同样，当列计数器计到
时，列上限符合电路就发出列上限符合脉冲将
触发器置1；当计到
时，列上限符合电路就发出列上限符合脉冲将
触发器置1；当计到
时，列下限符合电路即发出列下限符合脉冲将触发器
置0，此零电平也通过或门1关闭取样门。显然，只有当
行数
，同时列计数器满足
时，触发器
和
同时置1，通过与门打开取样门，发出取样脉冲，否则取样门关闭，这样就在电视画面上开了一个
的窗口。
图 11-2-2 窗口电路原理框图
（四）彩色摄像机
彩色摄像机分单管、双管和三管式三种。实际上，双管式中有一支管子是提供亮度信号，本质上也是单管摄像。由于单管色彩摄像机质量不够好，实际应用较少。这里只简介三管式彩色摄像机。
三管式彩色设想机的原理框图如图所示。它由摄像机头及摄像机控制台两大部分组成。
图 11-2-3 彩色摄像机原理框图书馆
彩色图像或彩色景物的光像由变焦距镜头摄取，然后经分色棱镜，入射光被分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色光，分别送入三个单独的摄像管，转换成和三基色图像相对应的图像信号。然后，三路信号经预放大器放大，有电缆送至摄像机控制台，进行电缆校正、黑斑校正、轮廓校正、彩色校正、电平调节及黑色电平调整等加工处理，最后将所得三色信号R、G、B送给数字话电路，分别数字化后送入计算机。
随着集成电路技术的迅速发展，固体摄像装置也得到了蓬勃地发展，并已进入实用阶段。其中发展最快并最有希望的固体摄像装置是电荷耦合器件（Charge Couple Device──简称CCD）。
CCD摄像机具有体积小、重量轻、功耗低、噪声小、可靠性高、无烧伤现象、不怕振动、光谱响应宽、输出线性好等一系列显著的优点。
目前存在的问题是：需要继续提高集成度，同时要解决因势阱溢出而造成的图像发晕现象，影响清晰度。随着研究工作的不断进展，无疑地CCD有着广泛的发展前途，受到人们的普遍重视。
CCD是一种MOS集成电路，下图表示了具有一个电极的CCD结构。在P型（或N型）硅单晶的衬底上，生长很薄的一层优质二氧化硅，再于其上蒸发一层间距排列很小的铝电极条，电极上加有适当的正偏压（或负偏压），该电压形成的电场穿过二氧化硅薄层，并排斥P型（或N型）硅中的多数载流子，在电脑下形成电荷耗尽区。或者说：在二氧化硅和硅的交界面的电及下，产生一个只含有少数载流子的势阱。所加的偏压越大，该势阱就越深。
图 11-2-4 具有一个电极的CCD结构
由三相时钟脉冲驱动的CCD 工作原理，设在某一时刻
，
为高电位，
、
为低电位 。在具有
高电位的各电极下就成较深的势阱 。当硅晶体受到图像光照射而产生电子──空穴对后，少数载流子在电场作用下就被吸入到势阱中，因此，势阱又称电荷包。显然，投射光越强，势阱中捕获的电荷量就越多。也就是说：势阱捕获的电荷多少和该处投射光的强弱成正比。这样就把图像的光象转变成为由积累电荷所描绘的电子图像，该电荷贮存于CCD器件中，这就完成了光电转换与贮存信息的过程。
为了读出存放于CCD 中的电子图像，在顺序排列的电极上加入交替升降的三相驱动时钟脉冲信号。该信号又称为寻址转移信号。当电荷积累过程结束以后，在
时，
开始下降，而
跳变到最大，从而电荷包便从电位为
的各电极下向电位为
的各电极下所形成的新势阱转移。到
时，全部电荷包已转移完毕。然后，当
下降，
变为最大时，电荷包又从
电极转移到
电极。依次类推，每经一个时钟脉冲周期
，电荷包完成转移一个象素的全过程。因此，三相时钟脉冲保证了电荷包作定向转移，也可以认为CCD同时具有移位寄存器的功能。如在CCD的末端，连接反向偏置的P－N结（二极管）来收集电荷，并经放大器放大后输出，就可获得图像信号。
从上述可见CCD同时具有感光和传递两种功能。然而在传递时它仍有可能感光，因此必须将感光和读取在时间上分割开，用较长的时间 （如20~30毫秒） 感光、积累电荷；用较短的时间（如几百微秒）读取图像。这样，由于转移速度极快， 转移过程中因感光而引起的图像模糊可忽略不计。
图 11-2-5 SCCD分区成像，贮存和转移结构图
CCD摄像器件有二类，一类是用于摄取线图像的，称为LCCD；另一类是用于摄取面图像的，称为SCCD。上图表示由SCCD分区成像、贮存和转移的结构，也就是包括光敏成像区和有相同象素的存贮区。存贮区用一层不透光的金属层覆盖着，其后面连接输出移位寄存器及输出放大器。当光敏区积累起电荷图像后，就迅速地转移支存贮区，然后，光敏区又开始新的电荷积累。在此期间，存贮区的电荷逐行转移到移位寄存器，寄存器中电荷以高速转移到输出端并被读出，这样就得到了连续图像电信号的输出。
CCD中除了采用三相时钟脉冲外，还有二相、四相时钟脉冲，其原理与三相基本相似。
四、飞点扫描器（Flying Spot Scanner──简单FSS）
电视摄像机是将图像在摄像管靶面上成象，经扫描获得信号输出。而 FSS 不同，它是通过阴极射线管（CRT）作为光源，在图片上进行扫描，其反射光由光电倍增管接受变换为电信号输出。
FSS是在水平和垂直二个偏转电路的控制下，CRTR 的光点通过透镜光学系统在画面上逐行逐点依次扫描，与图像上亮度相对应的反射光由光电倍增管
接受转换为成比例的电流信号，经放大和 A／D 变换，送计算机处理。与此同时，通过半透明镜检出反射光，由光电倍增管
获得对应于 CRT 面上辉度的信号，经辉度补偿电路补偿扫描点的辉度，以提高变换的线性度。
FSS所用的CRT通常称为飞点扫描管，目前民研制出高分辨和高辉度的飞点扫描管。如日本的OS701飞点扫描器，采用C—5 H05—B47型5 吋磁偏转飞点扫描管，可形成
取样网格，输出灰度级为128级（7比特），扫描速度为
／步。
FSS可获得与电视摄像机相仿的扫描速度，但位置精度和分辨率都比它高。FSS的缺点是稳定性和再现性比较差，这与荧光物质的不均匀、阴极射线管的畸变、光点在屏幕上的位置不够稳定等因素有关。
微密度计（microdensitometer）是一种平台机械扫描式的光电转换图像输入设备，它既可输入如胶片之类的负片图像，又可输入如照片、文件之类的正片图像。微密度计的测量精度很高。使用计算机控制旋转被测样片的平台，作
方向运动，可形成逐行扫描、螺旋扫描、随机扫描以及跟踪扫描。国外典型的产品有英国的PDS微密度计、MDM一6 型微密度计，都是比较先进的。以上产品的基本原理和操作都大体相似，只是光路系统设计各有特长。
典型的微密度计的光学系统的光源是一只50W的卤钨灯，扫描光点经光源窗孔（光栅）聚焦到置于可移动平台的样片上，最大取样尺寸可为
平方毫米。透射光（或反射光）再经检测器窗孔（光栏）作用于光敏硅二极管
上，从而取出和该坐标位置对应的象素之灰度值。由于微密度计是光密度的精密测量设备，因此光源的光分成二路，一路往聚光系统聚在图片上，由光敏硅二极管
获得图像信息；则另一路则直接射到参考光敏硅二极管
上，以取得光补偿信息。由于
和
用同样的材料和工艺制成，并且被放在同一暗盒内的性能和环境条件完全一致。因而当光源的光随时间、电源变化而变化时，
和
的输出将同时增加或减少，我们用
的比值来进行A／D变换，可以消除光源波动的影响，以保证测量的高精度。光密度的测量范围一般可达0－4 D，精度为
。
图 11-2-6 微密度计电原理框图
上图表示典型的微密度计的电原理框图。其平台由小型计算机发出指令，经微处理器控制
方向和
方向的步进移动扫描。最小步距为2.5微米，扫描速度为5mm／秒。只要改变相应的计算机程序，就可以任选逐行扫描、螺旋扫描、随机扫描或跟踪任何曲线等方式进行扫描。同时，光敏硅二极管获得的连续图像电信号，经A／D变换后，也先送到微处理机暂存，等整个画面扫描完后，再全部移至小型计算机，从而使主机不必花费很多时间来等待机械扫描。
综上所述，微密度计是一种速度很慢、精度很高、取样很密、 价格昂贵的图像输入设备。一般输入一张图片到计算机磁带上要费一小时以上的时间。因此，它一般用于要求精度高、速度慢的图像输入。
机械扫描鼓的原理与传真机相似。照片或负片按放在鼓形滚筒上，最大尺寸可达
平方毫米，由光线照射或从内部光源透射在图像上，再由光学系统收集后送至光电倍增管，变换成电信号。经放大后送至A／D变换器，再经高速数据接口送入计算机。一般先送入磁盘等外存贮器，再作处理。
机械扫描鼓的滚筒由步进电机Ａ带动作匀速圆周运动而光电倍增管由步进电机Ｂ通过丝杆带动在滚筒轴向作来回运动，形成相对图像的水平方向扫描，这样对图片构成了
方向和
方向的扫描。它的光学系统一般由光源、聚光镜、光栏、物镜和光电倍增管组成。整个光学系统均要放在一个密封的暗箱中，以防止杂散光的干扰。机械传动部分和丝杆的加工精度相当高，因而其重复定位精度高达2－5微米，光密度的测量范围为0－3D，且测量精度高。灰度级范围为256级。
机械扫描鼓是一种扫描精度高、信澡比高、可靠性好的图像输入设备。它输入一幅
的图片只需要数分钟，速度比平台式微密度计要快得多。其缺点是只能采用逐行扫描方式，不能用于随机扫描。同时，价格也相当昂贵。典型的产品有美国P－1000扫描鼓、英国Scanding－3型扫描鼓，国内上海有线电厂也有类似产品。
本节主要介绍了电视摄像机、CCD摄像机、FSS、微密度计和扫描鼓等图像输入设备。它们各有特点。
要求高精度、高分辨率、输入速度慢的图像输入采用微密度计和扫描鼓为宜，当然需要的设备投资也较大。对于一般图像输入，最常用的还是电视摄像机，由于它体积小、使用灵活、便宜、速度快，已成为图像吹系统的主要输入设备。目前除上述介绍的影像管摄像机外，还有用于摄取微光（照度在
勒克司以下的光波）的高灵敏度摄像机，用于摄取红外光的红外线电视摄像机，用于摄取Ｘ射线图像的Ｘ线光导摄像和摄取超声图像的超声波摄像机等,这些摄像机的原理和性能读者可参阅[11.8]，特别是已引起普遍重视的CCD固体摄像机是一种最有发展前途的图像输入装置,预计不久的将来它必将成为图像输入的主要手段而得到广泛的应用。