CMOS图像传感器由于其输出数据量巨大，无法满足多传感器系统等实时传输和存储的需求，限制了自身的发展，因此，提高CMOS图像传感器的输出效率，使其能够在传感的同时完成图像压缩的步骤，成为当今世界的重点研究课题。本文主要对在CMOS图像传感器中融入图像帧内冗余的压缩进行了深入的研究。本文通过对图像帧内冗余压缩过程的深入研究和多种帧内冗余压缩方法的比较，确定将变换编码压缩方法中的离散余弦变换融入到CMOS图像传感器中。利用混合信号处理方法设计了一种可实现2D-DCT的CMOS图像传感器，该传感器采用2D-DCT可以行列分离以及变换核对称的原理，对像素阵列进行8×8分块，增添两组采样电容阵列，通过寄存器控制开关控制模块选择相应核系数的电容比例结合模拟累加器完成列变换；利用多路选择器结合像素阵列完成列变换的符号转换；通过开关电容放大器和数字域累加完成行变换及其符号转换。然后对所提CMOS图像传感器中的像素阵列、多路选择器、模拟累加器和开关电容放大器等模块进行电路设计和误差分析。最后对系统架构进行建模验证，对电路模块应用CHRT0.35μm标准CMOS工艺进行仿真。系统验证结果显示，此结构能够正确实现2D-DCT，且运算周期缩短为原有混合信号处理方法的25%，在保留15%DCT系数的情况下压缩，PSNR达到73.54dB。电路仿真结果表明，电路模块的设计符合系统功能要求和性能指标。本文设计的CMOS图像传感器的创新点在于能够将2D-DCT融入到光信号感知的过程中，并且通过改变变量的遍历顺序，达到并行执行运算的目的，提高了原有混合信号处理方法的速度，能够满足任何量化编码需要，提高了传统CMOS图像传感器的输出效率，适用于生物医疗、无线传感网络等低功耗高效率成像系统。