第二章有關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-CCD和彩色原理

1、CCD成像及彩色原理 第二章有關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的擴展的擴展Interface of Digital Imaging Interface of Digital Imaging CCDCCD原理原理 電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD），一種集光電轉(zhuǎn)換、電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移為一體的傳感器件，最早由貝爾實驗室發(fā)明。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。 CCD結(jié)構(gòu)：“微型鏡頭微型鏡頭”等于在感光層前面加上一副眼鏡。感光面積不再由傳感器的開口面積決定，而改由微型鏡片的表面積來決定?！胺稚珵V色片分色濾色片”目前有兩種分色方式，一是RGB原色分色法，另一個則是CMYK補色分色法。原色C

2、CD的優(yōu)勢在于畫質(zhì)銳利，色彩真實，但缺點是噪聲問題。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像的分辨率，但補色CCD可以容忍較高的感光度。感光層感光層這層主要是負(fù)責(zé)將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，將影像還原。功能功能：光-電轉(zhuǎn)換功能在P型單晶硅的襯底上做一層絕緣氧化膜,再在氧化膜表面做出許多排列整齊的可透光的電極,當(dāng)光線通過時,氧化膜與P型單晶硅之間產(chǎn)生電荷,其電荷的數(shù)量與光照強度及照射時間成正比,這就是的光電轉(zhuǎn)換功能。2電荷存貯功能若在電極加上一個適當(dāng)?shù)恼妷?則在電極和襯底之間產(chǎn)生一個電場,這個電場在P型硅中將載流子帶正

3、電的空穴排斥到襯底電極一邊,在電極下硅襯底表面形成一個沒有可動空穴的帶負(fù)電的區(qū)域,這個區(qū)域稱作電荷耗盡區(qū),這就是能夠吸引電子的勢阱,電極上所加的電壓越高,勢阱越深,電荷留在阱內(nèi)量越多,只要電壓存在,電子就能儲存在勢阱里,當(dāng)景物的光照射到時,具有光敏特性的P型硅在光量子的激發(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對,空穴移向襯底而消失,電子進入勢阱并存儲在那里,由于絕緣氧化物層使得電子不能穿過而到達(dá)電極,因此存貯在勢阱里的電子形成了電荷包,其電荷量的多少與光照強度成正比,所有電極下的電荷包就組成了與景物相對應(yīng)的電荷像。3電荷轉(zhuǎn)移功能勢阱的深淺由電極上所加電壓的大小決定。電荷在勢阱內(nèi)可以流動,它總是從相鄰淺阱里流進深阱

4、中,這種電荷流動稱為電荷轉(zhuǎn)移。若有規(guī)律改變電極電壓,則勢阱的深度就會隨之變化,勢阱內(nèi)電荷就可以按人為確定的方向轉(zhuǎn)移,直到最終由輸出端輸出。這就是CCD的電荷轉(zhuǎn)移原理。電荷轉(zhuǎn)移又分單相驅(qū)動、雙相驅(qū)動、三相驅(qū)動及四相驅(qū)動等多種方式,除了電極構(gòu)造及所加電壓波形不同以外,其轉(zhuǎn)移原理是一樣的。四相驅(qū)動方式即將絕緣層上的電極按列的方式每四個分為一組,形成一個像素單元,每組電極分別加上不同的偏置電壓,則在電極下絕緣膜與P型硅之間就產(chǎn)生不同深度的勢阱,如果有規(guī)律地改變電極上的電壓值,使勢阱產(chǎn)生變化,就可以使電子定向移動,這也就是CCD的掃描讀出原理。根據(jù)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移方式的不同又分成幀轉(zhuǎn)移(FT)方式;行

5、間轉(zhuǎn)移(IT)方式;幀行間轉(zhuǎn)移CCD的四種類型的四種類型 ：linear線性、interline掃描、全景full-frame和frame-transfer全傳線性線性CCD是以一維感光點構(gòu)成，透過步進馬達(dá)掃描圖像。多用于平臺式掃描儀之上。Interline 掃描型掃描型透過垂直傳送帶從暫存矩陣中讀出訊號，再向下轉(zhuǎn)移至底部水平轉(zhuǎn)換記錄器然后電荷在搬到放大器中再到DSP里讀出水平光電位置行列，產(chǎn)生完整的數(shù)字影像。清空緩存器后，再重新設(shè)定光電位置以便接收下一張影像。速度較快，缺點是動態(tài)范圍較小。Full-Frame 全像全像 CCD 是一種架構(gòu)更簡單的感光設(shè)計。利用整個感光區(qū)域（沒有暫存區(qū)的設(shè)計）

6、，有效增大感光范圍，同時也適用長時間曝光。其曝光過程和Interline相同，不過感光和電荷輸出過程是分開的。因此，使用FFCCD的數(shù)字相機在傳送電荷信息時必須完全關(guān)閉快門，以隔離鏡頭入射的光線，防止干擾。這也意味著FF必須使用機械快門（無法使用IL的電子CLOCK快門)，同時也限制了FFCCD的連續(xù)拍攝能力。Full-FrameCCD大多被用在頂級的數(shù)位機。Frame-Transfer 全傳全傳 CCD 架構(gòu)介于IL和FF之間的產(chǎn)品，分成兩個部分。上半部是感光區(qū)，下半部是暫時存儲區(qū)。整體來說Frame-TransferCCD非常的類似Full-FrameCCD，它的特點在于直接規(guī)劃了一個大型

7、暫存區(qū)。一旦FTCCD運作，它可以迅速將電荷轉(zhuǎn)移到下方的暫存區(qū)中，本身則可以繼續(xù)曝光拍照。這個設(shè)計，讓FT同IL一樣可以使用電子快門，但同時也可增加感光面積和速度。 彩色彩色線陣線陣3 CCD3 CCD舉例：舉例：Basler L300kc 彩色單彩色單CCD舉例舉例Bayer成像方法成像方法:分別采集RGB信號，之后通過插值運算得到最終的彩色圖像。四種模式插值運算插值運算綠色紅和藍(lán)顏色與顏色空間1.1 顏色顏色 光波：光是一種按波長輻射的電磁波。（如圖，可見光譜） 顏色 視覺系統(tǒng)對可見光的感知 視網(wǎng)膜上錐狀光敏細(xì)胞：光強與顏色。 視網(wǎng)膜上桿狀光敏細(xì)胞：光強。 顏色度量：色調(diào)、飽和度、亮度 光

8、的物理性質(zhì)：波長（光速，頻率）和幅度 人眼對色彩的感覺：色調(diào)、飽和度和亮度 色調(diào)波長 亮度幅度 飽和度色光的純度色調(diào)hue: 色調(diào)hue:人眼感覺到物體反射或發(fā)射光波的波長。色調(diào)就是顏色的分類。如 七色：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫 在色譜中，色調(diào)連續(xù)變化。色調(diào)飽和度saturation 飽和度saturation：指顏色的純正程度。 與亮度有關(guān)：某一色調(diào)參入白光，色調(diào)不變但飽和度降低 與參入其它顏色的光有關(guān)：飽和度與色調(diào)都會改變。不完全飽和不完全飽和 完全飽和完全飽和 不完全飽和不完全飽和亮度：人眼感受到的顏色光的強度 同一種色塊，在不同強度的白光照射下，反射的光波波長一樣（色調(diào)相同），但人眼

9、感覺到的顏色不同。 某一顏色的光，量度很弱，趨于黑色，反之，趨于白色。 顏色相加與相減 相加：發(fā)光物體發(fā)出某些波長的光波，這些波長的光波疊加在一起。 相減：白光照在某種顏色的物體上。部分波長的光波被吸收，剩下波長的光波進入人的眼睛。1.2 顏色空間顏色空間 彩色空間：色度圖（國際亮度委員會InternationalCommitteeonIllumination,CIE）表明定義顏色至少需要3個參數(shù)。用3元組(x,y,z)表達(dá)一個顏色和在3維空間定義一個點相似，稱為彩色空間。 常見顏色空間：RGB:顯示器信號HSI：人眼識別CMY：彩色印刷YUV(YCbCr)：電視信號1. RGB顏色空間顏色空

10、間計算機顯示器用紅R、綠G、藍(lán)B光的組合產(chǎn)生顏色，(R,G,B)的值唯一地確定在顯示器上的顯示顏色，如（180，70，250）產(chǎn)生一個偏綠的藍(lán)色三種顏色構(gòu)成了三維空間坐標(biāo)-RGB顏色空間RGB色彩空間電子槍電子槍控制電路控制電路熒光面熒光面電子束電子束像像素素發(fā)發(fā)光光點點 CRTCRT結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 CRT的顏色產(chǎn)生2. HSI(Hue, Saturation,Intensity)顏色空間顏色空間HSI能減少彩色圖像處理的復(fù)雜性。合乎人對彩色的認(rèn)識： 色彩：色調(diào)、飽和度 亮度：非彩色屬性，對應(yīng)黑白圖像的灰度。色調(diào)和飽和度通稱為色度，表示顏色類別與深淺程度。HSI色彩空間和RGB色彩空間轉(zhuǎn)

11、換公式：1261213xRGByGBzRGB22( , )xyang x ymax123()3min( , )311min( , )1 2cos ()()()2IRGBR G BSR G BRGBIRGRBRGRB GBGBHGB 色相由角度等價cos()1(1)30120cos(60)33cos(120 )1(1)3120240cos(180)33cos(240 )1(1)3240360cos(300)33ISHIRBSGIRBHHISHIGRSBIR GHHISHIBGSRIGBHHHSI色彩空間和RGB色彩空間轉(zhuǎn)換公式：白白極淺極淺淺淺灰灰灰灰深深灰灰極深極深黑黑淺淺亮亮淺淺暗暗深深鮮艷

12、鮮艷黯淡黯淡完完全全飽飽和和HSI色彩空間模型色彩空間模型3. CMY(K)彩色空間彩色空間青色(Cyan)，洋紅色(Magenta)，黃色(Yellow)，黑色(blacK)顏料或油墨，應(yīng)用減色原理實現(xiàn)彩色。彩色打印、彩色印刷CMYK:在CMY的基礎(chǔ)上，增加黑色111CRMGYB 4. YUV（YCbCr）色彩空間）色彩空間YUV（亦稱YCrCb）是被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法（屬于PAL）。亮度信號Y和兩個色差信號RY（即V）、BY（即U）YUV主要用于優(yōu)化彩色視頻信號的傳輸，使其向后相容老式黑白電視。與RGB視頻信號傳輸相比，它最大的優(yōu)點在于只需占用極少的頻寬（RGB要求三個獨立的視頻信號同時傳輸）。 YUV色彩空間與RGB色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：0.2990.5870.1140.1470.2890.4360.6150.5150.1001.140.390.582.03YRGBURGBVRGBRYVGYVVBYU 1.3 彩色圖像處理彩色圖像處理 彩色變換：g(x,y)=Tf(x,y),f(x,y)是彩色輸入圖像，g(x,y)是變換或處理過的彩色輸出圖像。 補色：當(dāng)兩個色光混合成白色色光