CMOS相機和CCD相機在技術之間存在很多差異，其中一個方面是它們如何處理像素合并（Binning）。本文將探討CMOS和CCD之間像素合并的主要區(qū)別，并說明它們的含義。

什么是像素合并（Binning）？

? ? ? ?簡而言之，在CCD和CMOS中，像素合并是將圖像中的像素合并為“超級像素”的技術。它通常以2×2或3×3等形式進行。在這種情況下，單個像素中的信號被組合成超級像素。這有助于提高信噪比（SNR）。但是，由于它包含較少但較大的像素，因此也會降低圖像的分辨率。CMOS的像素合并過程在像素數字化完成后在軟件中進行，而CCD的像素合并過程是在硬件或“芯片上”進行。

? ? ? ?為了使該過程可視化，下圖(1)有4個像素（藍色），每個像素包含一個電子e-（紅色）。

? ? ? 在對像素進行合并時，我們將它們的值加在一起，如圖（2），以創(chuàng)建一個包含所有4個電子e-的像素。

? ? ? ?因此，這是2×2合并的一種非?；镜慕忉尫绞健榱藥椭忉?，下面圖（3）是一個示例，說明如何在16個像素的情況下進行2×2合并。 它們變成了4個超級像素，同時仍然保持著與未被合并時的對應電子等效的電子數量。

總結；什么是像素合并（Binning）

·??????? ?合并相鄰像素，最常見的是正方形網格（2×2、3×3、4×4）

·??????? ?像素組合成一個“超級像素”

·??????? ?像素合并可提高SNR，但要以降低分辨率為代價

·??????? ?在數字化之后，CMOS像素合并（binning）在軟件中進行

·??????? ?在數字化之前，CCD像素合并（binning）在芯片上進行

CMOS和CCD像素合并有何不同？

? ? ? ?像素合并的主要原因之一是檢測微弱信號。通常將檢測極限定義為信噪比（SNR）為1的點，這意味著信號等于噪聲。在信號微弱的情況下，噪聲只是相機的讀取噪聲。因此，如果我們獲得3個電子（e-）的讀取噪聲和3e-的信號，則SNR為1，該物體幾乎可以被檢測到。

? ? ? ?CCD技術允許在從傳感器讀取像素之前在模擬域中合并像素。所以以上面2×2超級像素的示例為例，它將具有來自所有4個單獨像素的信號;4x3e- = 12e-。若我們仍然只有3e-的讀取噪聲時，當讀取一次超級像素時，信噪比（SNR）就是12/3=4，換言之，是原來的4倍。

? ? ? ?CMOS技術的不同之處在于，像素在被讀出之前不能合并成超級像素。我們所能做的是在計算機上讀出這些像素后，用數學方法把它們合并。每個超級像素再次從其先前的單個像素接收信號值，但是由于這是在像素被讀出之后發(fā)生的，因此讀取噪聲也會增加。然而，讀取噪聲的增長率低于信號的速率，從而提高了信噪比。我們來看看它背后的一些數學知識。

? ? ? 還是上面的示例，信號仍然是4x3e- = 12e-。但是，各個像素已經被數字化，并且每個像素都有3e讀取噪聲。如前所述，圖像中的噪聲不會作為正態(tài)相加而累積，而是遵循統(tǒng)計分布，即所添加像素數的平方根。因此，在這種情況下，我們的CMOS超級像素的噪聲為3e-x4 / sqr4 = 6e-。因此，現在我們的SNR為12/6 = 2，是不進行合并處理時的兩倍，但不如CCD技術那么好。隨著合并量（3×3、4×4等）的增加，CCD和CMOS中信噪比之間的差異也將加大。

總結

? ? ?CCD像素合并（Binning）是一種非常強大的技術，可以提高靈敏度，但會降低分辨率。應用程序如下：

·??????? ?短時間曝光以查找對象是否在圖片中居中

·??????? ?在LRGB成像中捕獲RGB數據

·??????? ?將相機與長焦距望遠鏡匹配

·??????? ?指導性

·??????? ?成像微弱的物體

? ? ? 像素合并（Binning）在CMOS相機中效果較差。CMOS傳感器的讀取噪聲往往會低于CCD，這使像素合并的水平降低，但隨著合并在一起的像素數量增加，它實際上包含了每個像素的讀取噪聲。其他處理技術（例如降噪，調整大小和重新采樣）可能更擅長于從CMOS數據中提取最佳信號。

聲明：本文為Atik公司技術文章，國服路人王老康翻譯，NGC馬拉松整理發(fā)布。