CMOS图像传感器与CCD图像传感器使用不同的Binning方式的原因（上）
2026-05-12 来源:本站 点击次数:60Binning方式不同的根本原因在于两种芯片本身的不同：即技术的差异，以及相应的信号和光感应电荷载流子被如何处理的差异。此外，根据历史进程，首先是在CCD 图像传感器中引入的“Binning”概念。CCD图像传感器允许无损传输电荷载流子包，这是通过它们的被称作“寄存器”的存储位置来实现的，并且它们能够无损地累积或总和电荷载流子包。这两个功能都启用了“Binning”功能以提高信噪比。
CCD图像传感器中的Binning
在读出和数字化之前，将CCD图像传感器的两个或多个像素的电荷载流子含量（由入射光信号生成）组合以形成新的所谓的超级像素，称为“Binning”。在此过程中，单个像素生成的电荷载流子被总和，并且通常在水平读出寄存器中完成。Binning最大的优点是提高了信噪比（SNR）。这是因为，在会增加噪音比例的读出过程发生之前信号就被加强，所以即使在非常低的光照水平下也可以记录有用的图像，但代价是图像的空间分辨率降低。
图1表明了信号的改善情况以及分辨率的降低情况。如果应记录的信号较弱且接近噪声水平，则通常会使用Binning功能。左侧的第一幅图像是CCD图像传感器在640×480像素全分辨率下拍摄微弱照明场景的结果。可以发现一些细节，但图像总体上非常暗淡。图1b中的中间图像显示了2×2像素Binning的结果，每个最终像素的信号是 4个原始像素内容的总和。如果信号仍然太小，介于应用本身和处理过程所需，可以组合4×4像素，即将16个像素的电荷载流子累积以生成一个最终像素值。在图1中的三幅图像中可以看到与Binning一起出现的空间分辨率降低的现象。
图 1：图像(a)是一张分辨率640×480像素 (VGA)的图像。图像(b)具有与左侧相同的曝光设置，但在x和y方向上进行2个像素的Binning，分辨率为320×240像素。具有最高亮度的图像(c)采用了4×4的Binning，因此16个像素形成一个新的超级像素，从而变成160×120像素的分辨率。
图 2：描绘了相同的图像，只是放大了较小分辨率的图像以详细显示分辨率的损失状况（在这里展示是CCD相机侧面的公司名称）。
图 2：从(a)到(c)增加Binning的同一系列图像（如上），只有分辨率较低的图像尺寸被放大，显示空间分辨率的损失。显示字母“PCO”的细节图像已在亮度和对比度方面进行了进一步处理，以阐明Binning造成的空间分辨率损失。
下面我们来比较一下CCD图像传感器中Binning的优缺点。
CCD 图像传感器中 Binning 的优点
CCD图像传感器中的Binning
在读出和数字化之前，将CCD图像传感器的两个或多个像素的电荷载流子含量（由入射光信号生成）组合以形成新的所谓的超级像素，称为“Binning”。在此过程中，单个像素生成的电荷载流子被总和，并且通常在水平读出寄存器中完成。Binning最大的优点是提高了信噪比（SNR）。这是因为，在会增加噪音比例的读出过程发生之前信号就被加强，所以即使在非常低的光照水平下也可以记录有用的图像，但代价是图像的空间分辨率降低。
图1表明了信号的改善情况以及分辨率的降低情况。如果应记录的信号较弱且接近噪声水平，则通常会使用Binning功能。左侧的第一幅图像是CCD图像传感器在640×480像素全分辨率下拍摄微弱照明场景的结果。可以发现一些细节，但图像总体上非常暗淡。图1b中的中间图像显示了2×2像素Binning的结果，每个最终像素的信号是 4个原始像素内容的总和。如果信号仍然太小，介于应用本身和处理过程所需，可以组合4×4像素，即将16个像素的电荷载流子累积以生成一个最终像素值。在图1中的三幅图像中可以看到与Binning一起出现的空间分辨率降低的现象。
图 1：图像(a)是一张分辨率640×480像素 (VGA)的图像。图像(b)具有与左侧相同的曝光设置，但在x和y方向上进行2个像素的Binning，分辨率为320×240像素。具有最高亮度的图像(c)采用了4×4的Binning，因此16个像素形成一个新的超级像素，从而变成160×120像素的分辨率。
图 2：描绘了相同的图像，只是放大了较小分辨率的图像以详细显示分辨率的损失状况（在这里展示是CCD相机侧面的公司名称）。
图 2：从(a)到(c)增加Binning的同一系列图像（如上），只有分辨率较低的图像尺寸被放大，显示空间分辨率的损失。显示字母“PCO”的细节图像已在亮度和对比度方面进行了进一步处理，以阐明Binning造成的空间分辨率损失。
下面我们来比较一下CCD图像传感器中Binning的优缺点。
CCD 图像传感器中 Binning 的优点
- 更高的信噪比(SNR)：因为读出噪声仅对每个读出像素产生影响，并且在整合电荷载流子时不会相加，所以，通过图像处理（图像采集后）的像素组合方式不会同时提高噪声。
- 更快：由于空间分辨率较低，图像重复率（图像记录频率）更高
CCD 图像传感器中 Binning 的缺点
- 整合像素（更大的像素）使像素数量减少，从而降低空间分辨率
- 减少了每个像素的可检测光量（更低的动态范围），如果某个像素的最大电荷载流子数量（满阱容量）对应最大计数，则该最大电荷载流子数量与组合像素的数量成反比，这意味着（当组合像素数量较多时）在较低的光照水平下就能达到最大计数
- 畸变：如果像素整合时x轴和y轴方向的像素数量不同，会导致图像畸变，需要通过后续的图像处理进行校正
在大多数现有的CCD图像传感器中，串行移位寄存器以及模数转换器前的求和点所具有的电荷载流子容量与每个像素的满阱容量相比，该容量至少是原来的两倍。因此，像素动态范围的损失并不像上述所示的那么需要重视。Binning主要应用于低光照条件和配置的CCD图像传感器上，这些情况下读出噪声（主要在冷却的CCD图像传感器中）占主导地位，而暗电流等其他噪声则随着Binning相加。
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