彩色CCD工業(yè)相機(jī)工作原理
2009/8/31 11:20:00
原理
黑白（單色）相機(jī)
CCD原理并不復(fù)雜。我們可以把它想象成一個(gè)頂部被打開(kāi)的記憶芯片。因此光束可以射到記憶單元中。根據(jù)"光電效應(yīng)”，這些光束在記憶單元中產(chǎn)生負(fù)電荷（下圖中右上部分）。
曝光后，這些電荷被讀出，進(jìn)而被相機(jī)處理單元進(jìn)行預(yù)處理。從相機(jī)處理單元輸出的就是一幅數(shù)字圖像。
如果相機(jī)要求以模擬格式輸出視頻，我們就必須對(duì)該數(shù)字原始圖像進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。然而這個(gè)問(wèn)題與本文所討論的“彩色相機(jī)如何工作”并無(wú)關(guān)聯(lián)。我們只需考慮數(shù)字格式的原始圖像。
3CCD彩色相機(jī)
你可以說(shuō)CCD芯片將光子轉(zhuǎn)換為電子，在這一過(guò)程當(dāng)中，光子數(shù)目與電子數(shù)目互成比例。但光子還有另外一個(gè)特征值——波長(zhǎng)，而這條信息卻沒(méi)有在這個(gè)過(guò)程中被轉(zhuǎn)換為電子。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，CCD芯片都可以被稱(chēng)為色盲。
如果我們需要相機(jī)內(nèi)的圖像處理單元在每個(gè)像素上都輸出紅、綠和藍(lán)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(gè)CCD。每個(gè)CCD都只得到過(guò)濾后一個(gè)顏色分量的光子，即一個(gè)CCD用于紅光，一個(gè)用于綠光，一個(gè)用于藍(lán)光。我們用三棱鏡將這三種顏色分離開(kāi)來(lái)。
這個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法在實(shí)際應(yīng)用中可以得到非常理想的效果。但它有一個(gè)重要的缺點(diǎn)——價(jià)格昂貴。因此人們?cè)缫验_(kāi)始研發(fā)基于一個(gè)CCD的設(shè)計(jì)理念彩色相機(jī)。下節(jié)將介紹最常用的一種。
單CCD彩色相機(jī)
如果考慮到價(jià)格因素，我們只能使用一個(gè)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(chēng)為馬賽克濾光片或拜爾濾光片（最初由拜爾先生發(fā)明）。
這樣一來(lái)，每個(gè)像素只能產(chǎn)生紅、綠或藍(lán)三色當(dāng)中一種顏色的值。但是在輸出時(shí)，所有像素都應(yīng)該有這三種顏色的信息。我們應(yīng)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(jī)處理單元執(zhí)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(lán)色的值。而插值法通過(guò)分析與這個(gè)紅色像素相鄰的像 素可以估算出這兩個(gè)值。在本例中，我們發(fā)現(xiàn)綠色像素含有大量電荷，但藍(lán)色像素電荷數(shù)為零。因此這個(gè)紅色像素實(shí)際上是黃色的。在稍后的色彩插值一節(jié)中您將可以了解到有關(guān)色彩插值的詳細(xì)信息。
如果對(duì)3CCD相機(jī)生成的3幅數(shù)字原始圖像與單CCD相機(jī)生成的3幅數(shù)字始圖像進(jìn)行比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們看起來(lái)完全相同。但這僅僅對(duì)我們這個(gè)簡(jiǎn)化的例子是成立的。在實(shí)際應(yīng)用中，即使最好的彩色空間插值法也會(huì)產(chǎn)生低通效應(yīng)。因此，單CCD相機(jī)生成的圖像要比3CCD相機(jī)或黑白相機(jī)的圖像模糊，這點(diǎn)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(cè)量的單CCD相機(jī)
成像
在原理一節(jié)中，我們已經(jīng)了解了用于成像的單CCD彩色相機(jī)的工作原理。馬賽克濾光片（亦被稱(chēng)作拜爾濾光片）使得每個(gè)像素只能顯示紅、綠或藍(lán)當(dāng)中的一種顏色。但由于我們希望相機(jī)能在每個(gè)像素都輸出紅、綠和藍(lán)這三種顏色，相機(jī)的處理單元需要插入缺失色彩的值。在色彩插值一節(jié)您可以了解更多詳細(xì)內(nèi)容。
這一方法的顯著優(yōu)點(diǎn)在于它能節(jié)省成本。此外，今天的單CCD相機(jī)的質(zhì)量也驚人的好。因此，絕大多數(shù)彩色相機(jī)都采用此項(xiàng)技術(shù)。
測(cè)量
在以測(cè)量為目的圖像應(yīng)用領(lǐng)域，色彩插值法有重大的缺點(diǎn)：
• 每個(gè)像素都具有紅、綠和藍(lán)的色彩值，但這三個(gè)值中只有一個(gè)真正來(lái)自CCD。其它兩個(gè)值都由插值法計(jì)算而得，即估算值。
• 這些估算值不但干擾測(cè)量過(guò)程本身，而且它們對(duì)于總線及計(jì)算機(jī)而言都會(huì)增加不必要的負(fù)載。
在圖像測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，我們認(rèn)為將色彩插值關(guān)閉并把從CCD獲得的電荷直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字原始圖像更為有利。
需要提醒讀者注意的是：現(xiàn)在大多數(shù)彩色圖像處理軟件都默認(rèn)每個(gè)像素都有紅色、綠色和藍(lán)色值。處理數(shù)字原始圖像對(duì)于我們當(dāng)中的大多數(shù)而言都還比較陌生。因此，我們?cè)谏什逯狄还?jié)中更詳細(xì)地介紹處理數(shù)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(jié)中，我們通過(guò)一個(gè)例子介紹了色彩插值的原理。為了讓該例簡(jiǎn)單明了，三幅生成的圖像（數(shù)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(xì)介紹兩種簡(jiǎn)單的插值處理。一開(kāi)始我們將使用在用于成像與測(cè)量的單CCD相機(jī)（測(cè)量）一節(jié)中介紹過(guò)的數(shù)字原始圖像。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該數(shù)字原始圖像、它的源圖及拜爾濾光片都被列于下圖。
復(fù)制臨近像素法
填補(bǔ)缺失的色彩值的最簡(jiǎn)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(gè)綠色像素（來(lái)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(diǎn)實(shí)際是紅色的（見(jiàn)概述），但經(jīng)拜爾濾光片綠色像素過(guò)濾后色彩值變?yōu)榱恪Ｎ覀冎恍枰雅R近紅藍(lán)像素中的紅色與藍(lán)色值（見(jiàn)上圖）復(fù)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(chǎn)生了正確的RGB值。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)于靜止圖像，這種簡(jiǎn)單的插值法所生成的結(jié)果是不可接受的。但由于它并不耗費(fèi)多少時(shí)間，我們可以將其用于對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求不高的視頻數(shù)據(jù)流中（例如視頻預(yù)覽）。
臨近像素均值法（雙線性插值）
我們可以對(duì)“復(fù)制插值法”作出的第一個(gè)改進(jìn)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(gè)例子指出了均值法的一個(gè)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(yīng)是（255，0，0），但實(shí)際上變成了（255，128，64），因此該點(diǎn)變成了棕橙色。
今天相機(jī)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(duì)這些算法做了很好的介紹和比較。
一般情況下現(xiàn)場(chǎng)工程師不大可能選擇或改變一個(gè)普通彩色相機(jī)的插值法。為了提供給用戶(hù)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(jī)，如1394相機(jī)中的 DBK 21F04, DBK 21AF04, DBK 21BF04, DBK 31AF03, DBK 31BF03, DBK 41AF02和DBK 41BF02，以及USB2.0相機(jī)中的 DBK 21A
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