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彩色CCD工業相機工作原理

2009/8/31 11:20:00

原理

黑白（單色）相機

CCD原理并不復雜。我們可以把它想象成一個頂部被打開的記憶芯片。因此光束可以射到記憶單元中。根據"光電效應”，這些光束在記憶單元中產生負電荷（下圖中右上部分）。

       曝光后，這些電荷被讀出，進而被相機處理單元進行預處理。從相機處理單元輸出的就是一幅數字圖像。

       如果相機要求以模擬格式輸出視頻，我們就必須對該數字原始圖像進行相應轉換。然而這個問題與本文所討論的“彩色相機如何工作”并無關聯。我們只需考慮數字格式的原始圖像。

3CCD彩色相機

      你可以說CCD芯片將光子轉換為電子，在這一過程當中，光子數目與電子數目互成比例。但光子還有另外一個特征值——波長，而這條信息卻沒有在這個過程中被轉換為電子。因此，從這個意義上說，CCD芯片都可以被稱為色盲。

       如果我們需要相機內的圖像處理單元在每個像素上都輸出紅、綠和藍三種顏色分量的值，就必須給這三種基色中的每種顏色都配置一個CCD。每個CCD都只得到過濾后一個顏色分量的光子，即一個CCD用于紅光，一個用于綠光，一個用于藍光。我們用三棱鏡將這三種顏色分離開來。

      這個簡單的解決方法在實際應用中可以得到非常理想的效果。但它有一個重要的缺點——價格昂貴。因此人們早已開始研發基于一個CCD的設計理念彩色相機。下節將介紹最常用的一種。

單CCD彩色相機

       如果考慮到價格因素，我們只能使用一個CCD芯片，那么我們就得把彩色濾光片象馬賽克一樣分布在CCD所有的像素上。這一概念也被稱為馬賽克濾光片或拜爾濾光片（最初由拜爾先生發明）。

      這樣一來，每個像素只能產生紅、綠或藍三色當中一種顏色的值。但是在輸出時，所有像素都應該有這三種顏色的信息。我們應該如何找回其余兩種被濾除的顏色分量值呢？

     答案是由相機處理單元執行的空間色彩插值法。以下圖中左下角的紅色像素為例，我們需要的是被濾除的綠色與藍色的值。而插值法通過分析與這個紅色像素相鄰的像素可以估算出這兩個值。在本例中，我們發現綠色像素含有大量電荷，但藍色像素電荷數為零。因此這個紅色像素實際上是黃色的。在稍后的色彩插值一節中您將可以了解到有關色彩插值的詳細信息。

如果對3CCD相機生成的3幅數字原始圖像與單CCD相機生成的3幅數字始圖像進行比較，我們會發現它們看起來完全相同。但這僅僅對我們這個簡化的例子是成立的。在實際應用中，即使最好的彩色空間插值法也會產生低通效應。因此，單CCD相機生成的圖像要比3CCD相機或黑白相機的圖像模糊，這點在圖像中有超薄或纖維形物體的情況下尤為明顯。

用于成像與測量的單CCD相機

成像

在原理一節中，我們已經了解了用于成像的單CCD彩色相機的工作原理。馬賽克濾光片（亦被稱作拜爾濾光片）使得每個像素只能顯示紅、綠或藍當中的一種顏色。但由于我們希望相機能在每個像素都輸出紅、綠和藍這三種顏色，相機的處理單元需要插入缺失色彩的值。在色彩插值一節您可以了解更多詳細內容。

這一方法的顯著優點在于它能節省成本。此外，今天的單CCD相機的質量也驚人的好。因此，絕大多數彩色相機都采用此項技術。

測量

在以測量為目的圖像應用領域，色彩插值法有重大的缺點：

• 每個像素都具有紅、綠和藍的色彩值，但這三個值中只有一個真正來自CCD。其它兩個值都由插值法計算而得，即估算值。
• 這些估算值不但干擾測量過程本身，而且它們對于總線及計算機而言都會增加不必要的負載。

在圖像測量應用領域，我們認為將色彩插值關閉并把從CCD獲得的電荷直接轉換為數字原始圖像更為有利。

       需要提醒讀者注意的是：現在大多數彩色圖像處理軟件都默認每個像素都有紅色、綠色和藍色值。處理數字原始圖像對于我們當中的大多數而言都還比較陌生。因此，我們在色彩插值一節中更詳細地介紹處理數字原始圖像的基本原理。

色彩插值（用于成像）

概述

        在原理一節中，我們通過一個例子介紹了色彩插值的原理。為了讓該例簡單明了，三幅生成的圖像（數字原始圖像的三色被分離后的圖像）都是理想化的。

        下面我們將詳細介紹兩種簡單的插值處理。一開始我們將使用在用于成像與測量的單CCD相機（測量）一節中介紹過的數字原始圖像。為了簡單起見，該數字原始圖像、它的源圖及拜爾濾光片都被列于下圖。

復制臨近像素法

填補缺失的色彩值的最簡單方法就是從臨近像素中獲取色彩值。讓我們以第二行第一個綠色像素（來自拜爾濾光片）為例（如下圖中被加粗黑框之像素所示）。

在源圖像中該點實際是紅色的（見概述），但經拜爾濾光片綠色像素過濾后色彩值變為零。我們只需要把臨近紅藍像素中的紅色與藍色值（見上圖）復制到該像素中，就能獲得其RGB值（255，0，0）。

就上圖所示例子而言，插值法產生了正確的RGB值。但在實際應用當中，對于靜止圖像，這種簡單的插值法所生成的結果是不可接受的。但由于它并不耗費多少時間，我們可以將其用于對質量標準要求不高的視頻數據流中（例如視頻預覽）。

臨近像素均值法（雙線性插值）

       我們可以對“復制插值法”作出的第一個改進就是使用若干臨近像素的均值。如圖所示，這種方法同樣可以得到正確的RGB值（255，0，0）。

       但第二個例子指出了均值法的一個重大缺陷：均值法有低通特性，并由此將清晰的邊界鈍化。RGB值本應是（255，0，0），但實際上變成了（255，128，64），因此該點變成了棕橙色。

       今天相機中所使用的插值法的性能要大大高于前面介紹的這兩種基本方法。A Study of Spatial Color Interpolation Algorithms for Single-Detector Digital Cameras一文對這些算法做了很好的介紹和比較。

       一般情況下現場工程師不大可能選擇或改變一個普通彩色相機的插值法。為了提供給用戶更大的靈活性，The Imaging Source 提供一系列不帶插值處理功能的彩色相機，如1394相機中的 DBK 21F04, DBK 21AF04, DBK 21BF04, DBK 31AF03, DBK 31BF03, DBK 41AF02和DBK 41BF02，以及USB2.0相機中的 DBK 21A