CCD 相机的像素读取方式

如果搜索 CCD 和 CMOS 的像素读取区别，经常能看到一句话：CCD 是每次一行读取，每次读取完之后逐行“搬运”到输出端进行电压读出；CMOS 是每个像素一下子读取的。

我当时对 CCD 读取的方式理解有误，有了这个问题，下面是大模型的回答进行了一些修改。

那一行一行送到寄存器中，CCD是怎么获取图像数据的？这样操作不是只能获取每一行的总和吗？

非常好的问题！👏
这说明你已经深入理解了 CCD 的“移位”过程，而你提到的疑问确实是很多人初学时的困惑。
让我们仔细理一理这一步是怎么做到每个像素都能单独读出的——而不是整行总和。

🧩 关键点：CCD 是“逐像素移位”的，不是“整行加和”

虽然 CCD 是一行一行地把像素电荷送入水平寄存器的，但——
⚠️ 每个像素的电荷在水平方向上也是逐个移位、逐个输出的，不会混在一起。

可以这么理解：

一、垂直方向（行扫描）

1. 整个感光区是一个二维阵列，比如 1024 × 768。
2. 当曝光结束后，第一行的电荷（第1行像素）被整体“推入”水平移位寄存器（HCCD）。
3. 这时候，仅这一行的像素进入“读出区”。

所以垂直方向上确实是“一行一行”在读，但这一行内部的像素仍是独立的。

二、水平方向（列扫描）

接下来：

水平移位寄存器（HCCD）内部也由许多“电荷单元”组成（与像素列数相同，比如1024个）。
通过水平时钟信号，这1024个电荷会一个接一个被推向输出放大器。

📤 输出端只会在每次推送一个电荷时输出一个电压信号。

这就是每个像素的灰度值。

三、时间顺序示意

假设是一个 3×3 的 CCD，为了简单说明：

行1: [a11 a12 a13]
行2: [a21 a22 a23]
行3: [a31 a32 a33]

则输出过程是这样：

1️⃣ 垂直转移：将行1移到水平寄存器。
2️⃣ 水平转移输出：

输出顺序：a11 → a12 → a13

3️⃣ 再垂直转移行2 → 水平移位输出：

输出顺序：a21 → a22 → a23

4️⃣ 同理：

a31 → a32 → a33

所以最终读出的信号顺序（1D 数据流）是：

a11, a12, a13, a21, a22, a23, a31, a32, a33

——刚好是逐行扫描的完整图像数据。

🧠 重点总结

步骤	动作	结果
垂直移位	一行行移动到水平寄存器	行扫描
水平移位	寄存器中像素逐个推出	列扫描
输出放大器	将电荷 → 电压信号 → ADC 转为数字	像素值获取
最终输出	连续的数据流，每个值对应一个像素	形成图像矩阵

🎥 类比理解

你可以把 CCD 想象成：

有一个货架阵列（像素）；
每一层（行）货架的箱子（像素电荷）被推到传送带上；
传送带再一个一个地把箱子送到出口称重机（输出放大器）；
称重机会记录每个箱子的重量（像素亮度）。

这样一来，整张图像的所有像素都能单独读出。

是否希望我帮你画一张CCD电荷传输示意图（包括垂直、水平移位和输出放大器的对应位置）？
样你会更直观地看到“一行一行+一像素一像素”的过程。

我的天，那这样速度比CMOS会慢好多，相当于如果有n*m的图像，会慢n倍

完全正确 😄，你抓住了 CCD 的致命缺点之一 ——
它的读出速度确实比 CMOS 慢得多，这正是为什么如今几乎所有数码相机、手机、工业相机都转向 CMOS 的核心原因。

不过我们可以更精确地理解一下为什么会 “慢 n 倍”，以及 CCD 是怎么尽量缓解这个问题的。

⚙️ 一、CCD 的读取方式决定了速度瓶颈

你说得非常准确：

“n×m 的图像要一行一行读出，相当于慢 n 倍”

是的——因为 CCD 的像素信号不能并行读出，而是必须依次移位：

垂直方向： 把 n 行依次推送到水平移位寄存器；
水平方向： 每行再逐像素移位（m 次）到输出端；
每个像素都要经过电荷转移 → 放大 → 采样 → ADC。

因此，一个完整的帧需要：

n（行数） × m（列数） 次电荷转移操作。

所以理论上，读取时间 ∝ 像素总数。

⚡ 二、CMOS 的并行优势

CMOS 的工作方式完全不同：

对比项	CCD	CMOS
读出方式	电荷移位，一路串行	每个像素自带放大器，可并行读取
速度	慢，依赖移位时钟	快，可随机访问行/列/区域
功耗	高（持续时钟驱动+长距离电荷传输）	低（就地放大+局部读出）
噪声	低，读出电路统一	略高，受像素间工艺差异影响
均匀性	极好（每像素处理路径相同）	较差，需要校正

👉 CMOS 实际上是一个“每个像素都带放大器的微型电路”，它输出的是电压信号，不需要“传送电荷”这一步。

🧩 三、CCD 的“补救办法”

CCD 工程师也意识到了串行传输太慢，于是发明了几种折衷方案：

1️⃣ 多通道读出（Multiple Output Node）

把感光区分成几块（例如左右各半），每块有自己的输出放大器；
相当于多条“传送带”并行输出。

例如：

4 通道 CCD = 速度提升 4 倍
16 通道 CCD = 速度提升 16 倍

👉 但这样会增加读出电路复杂度和噪声匹配难度。

2️⃣ Frame-Transfer CCD

CCD 分为两部分：光敏区 和 存储区；
曝光结束后，整帧图像瞬间转移到存储区（避免拖影），然后慢慢读；
提高帧率、减少读出期间曝光干扰，但仍然是串行。

3️⃣ Interline CCD（交错式）

每个像素旁边放一条“垂直转移通道”，曝光结束立即把电荷塞进通道；
可实现电子快门；
但填充率下降（因为部分面积被传输通道占用）。

🕓 四、简单算一个数量级

假设：

CCD：1024 × 1024 像素；
每个像素的移位时间：1 µs；
则读取一帧：

1024 × 1024 × 1µs ≈ 1.05 秒

👉 实际 CCD 的时钟更快（~MHz 级），所以帧率通常在 几帧到几十帧每秒，但和 CMOS 动辄上百上千帧相比，确实慢很多。

🧠 五、小结一句话：

CCD 就像一台“排队结账的超市”，所有像素必须按顺序过结账机；

CMOS 则是“每个货架自带扫码枪”，各行各列可以同时结账。

是否希望我帮你画一张图，展示 CCD 和 CMOS 在读出路径上的区别？那样你一眼就能看到 CCD 串行、CMOS 并行的结构差异。