2.1 采集装置和性能指标
采集数字图像需要使用专门的图像采集装置。所有图像采集装置的共同之处是要接收外界的激励并产生（连续的）模拟响应，然后把模拟响应转化为数字信号，从而可被计算机利用。所以图像采集装置需要具备两种器件。一种是对某种电磁波（如X射线、紫外线、可见光、红外线等）敏感的物理器件，它可以接收辐射并产生与接收到的辐射能量成正比的（模拟）电信号。近年来使用的对电磁波敏感的物理器件主要是电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS），它们构成的固态平面传感器阵有一个显著特点，即具有非常高的快门速度（可达10-4s），能将许多运动定格。另一种是数字化器件，它能将输入的（模拟）电信号转化为数字（离散）形式（模数转换），从而输入计算机。
2.1.1 CCD传感器
电荷耦合器件（CCD）是一种典型的固态阵元件，由称为感光基元（Photosites）的离散硅成像元素构成。这样的感光基元能产生与所接收的输入光强成正比的输出电压。CCD传感器指以CCD为核心构成的传感器，可按几何组织形式分为两种：线扫描传感器和平面扫描传感器。线扫描传感器包括一行感光基元，依靠场景和检测器之间的相对扫描运动获得2D图像；平面扫描传感器由排成方阵的感光基元组成，可直接获得2D图像。
例2-1 线扫描传感器
图2-1所示为线扫描传感器示意。线扫描传感器通过一行感光基元、两个定时将感光基元中的内容传给传输（移位）寄存器的传输门（选送门），并通过一个定时将传输寄存器中的内容传给放大器的输出门。放大器输出的电压信号强度与感光基元的信号强度成比例。
图2-1 线扫描传感器示意
例2-2 平面扫描传感器
平面扫描传感器中有一个电荷耦合平面阵，其工作原理与线阵相似，但感光基元排列成一个阵列形式，如图2-2所示，有多列感光基元。每列感光基元由传输门和垂直传输寄存器隔开。在工作时，先将奇数列感光基元的内容顺序送进垂直传输寄存器，然后再送进水平传输（移位）寄存器。在将水平传输寄存器的内容送进放大器后就得到一帧隔行的视频信号。如果对偶数列感光基元重复以上过程，就可得到另一帧隔行的视频信号。将两帧信号合起来就得到隔行扫描电视的一场（frame，f）。NTSC制的扫描速度是30f/s，PAL制的扫描速度是25f/s。
图2-2 平面扫描传感器示意
2.1.2 CMOS传感器
互补金属氧化物半导体（CMOS）也是一种典型的固态阵元件，借助CMOS构成的成像传感器主要包括传感器核心、模数转换器、输出寄存器、控制寄存器、增益放大器等。传感器核心中的感光像元电路分为三种，具体如下。
（1）光敏二极管型无源像素结构。无源像素结构由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线连通，位于列线末端的放大器读出列线电压，当光敏二极管存储的信号被读取时，电压复位，此时放大器将与输入光信号成正比的电荷转换为电压并输出。
（2）光敏二极管型有源像素结构。有源像素结构在像素单元上加入了有源放大器。
（3）光栅型有源像素结构。信号电荷在光栅下积分，在输出前，将扩散点复位，然后改变光栅脉冲，光栅中的信号电荷转移至扩散点，复位电压水平与信号电压水平之差就是输出信号。
与传统的CCD摄像器件相比，CMOS摄像器件把整个系统集成在一块芯片上，降低了功耗，缩小了尺寸，总体成本也更低。
2.1.3 常用性能指标
对各种图像采集装置来说，在使用中经常考虑的性能指标主要有以下几项。
（1）线性响应：输入物理信号的强度与输出响应信号的强度之间是否具有线性关系。
（2）灵敏度：绝对灵敏度可用所能检测到的最少光子个数表示，相对灵敏度可用输出信号强度发生单级变化所需的光子个数表示。
（3）信噪比：采集的图像中有用信号与无用干扰的比值（能量或强度）。
（4）阴影（不均匀度）：指输入的物理信号幅度为常数而输出的数值不为常数的现象。
（5）快门速度：采集一幅图像所需的拍摄/曝光时间。
（6）读取速率：信号数据从光敏单元读取的速率。
就采集的图像本身来说，其空间分辨率（数字化的空间抽样点数）和幅度分辨率（抽样点值的量化级数，如对于灰度图指灰度级数，对于深度图则指深度级数）也是重要的衡量指标（更详细的讨论可见2.4节）。
2.1.4 图像采集流程
常用的图像采集流程图如图2-3所示，光源辐射到客观物体上，物体的反射光线进入传感器，传感器进行光电转换，得到与客观物体空间关系和表面性质相关的模拟信号，对模拟信号进行采样和量化以转换为可以被计算机使用的数字信号并输出，最终得到场景图像。
图2-3 常用的图像采集流程
在实际应用中，除了客观物体的反射光线，客观物体的折射光线和透射光线也可以成像。