數碼技術在數字信息領域中的應用

數碼技術在數字信息領域中的應用

1數碼成像系統(tǒng)圖像信息是信息的一個廣泛分布的部門。據病理雜志稱，80%的人一生的知識和信息來自視覺圖像。在成像平面上用CCD/CMOS等光電面陣器件,接受圖像信息就成為數碼成像系統(tǒng),每一CCD/CMOS芯片由數十萬、數百萬,甚至上千萬的像素組成,數碼相機將圖像光強分布和色度分布轉化為以空間像素單位、傳輸圖像、圖像輸出,于是形成了系列數碼成像技術和相應產品。數碼相機是數碼成像系列產品中的關鍵,為拍攝遠距和近距圖像,而發(fā)展望遠數碼相機功能或是顯微鏡用數碼目鏡;為數碼輸出,發(fā)展底片掃描儀、打印輸出,數碼擴印系統(tǒng)等等?，F就科學實驗和工程研究中有關數碼技術用的一些問題及有關參數進行闡述與研討。2相機色散2.1fpga和c成像數碼相機感光器件主要有CCD和CMOS兩類,CCD數碼相機經歷了較長的發(fā)展時期,目前在成像質量,成像分辨力方面優(yōu)于CMOS,因此應用CCD的數碼相機占大多數,而CMOS數碼相機在產品價格,耗電量等方面又有優(yōu)勢,近年來CMOS傳感器逐漸成熟,從高端到普及型的數碼相機中的應用與日俱增。對于CCD和CMOS像素級別皆在飛速提高,2004年底,500萬像素數碼相機成為主流相機,800萬像素將會成為今后高端數碼相機的標準指標。高像素可以保證有足夠的像素用于數碼放大,300萬像素的低端產品,對于小幅面的5英寸~7英寸照片已可以,但是在大幅面(A3紙以上)高端應用,即使500萬像素亦往往不足。索尼公司的最新的四色CCD技術很受人關注,非常接近人眼的視覺特征。2.2光學分辨長度的計算數碼相機的分辨力與像素有密切關系,而分辨力可用來評估數碼相機的拍照質量,數碼相機的最高分辨力與其像素相對應,而系統(tǒng)的分辨力既與像素有關又與光學鏡頭質量有關,如Ro與Rd分別表示為光學分辨力長度和光電器件分辨長度,對光學分辨長度而言,如不存在光學像差,則衍射極限決定光學分辨力,光學分辨力長度Ro可為:Ro=1.854λ(f/D)=1.854λF式中f、D、F分別為透鏡焦距、口徑、相對口徑,對光電器件而言,分辨長度Rd等于像素有效感光寬度d,即Rd=d。因此系統(tǒng)的等效分辨長度Re≈R2o+R2d???????√Re≈Ro2+Rd2Re=d(1.845λFd)2+1???????????√(1)Re=d(1.845λFd)2+1(1)圖1表示了三種分辨長度與λF/d之間關系,圖中可見當λF/d較小時,光電器件有效感光長度限制了系統(tǒng)的分辨力,而當λF/d增大時,光學系統(tǒng)將成為限制系統(tǒng)分辨力的主要因素。2.3焦距與視場的影響數碼相機的光學鏡頭的孔徑是鏡頭的重要參數,通常用相對孔徑的倒數,光圈數F來表示,如F1.2,F1.4,F2.0……F8等,F數越小,表示鏡頭的相對孔徑越大。數碼相機的鏡頭大多為變焦鏡頭,一般為2倍~4倍之間,近來的發(fā)展,高的可達8倍~12倍。數碼相機的焦距與視場,亦是鏡頭的重要參數。目前常用其鏡頭的CCD/CMOS面陣接收,其尺寸有1英寸,2/3英寸,1/2英寸,1/4英寸。對于一定大小的光電成像器件來說,焦距增大,意味著視場縮小。表1引出了35mm膠卷與各類光電成像器件和標準鏡頭焦距的范圍。2.4dsp技術任務數碼相機中的DSP的任務之一,是對成像器件上獲得的圖像信號進行處理與完善,諸如光照度補償,矯正白平衡,彩色抑制等。DSP同時擔負著使相機自動對焦和自動曝光的任務,DSP另一任務是完成圖像壓縮,壓縮圖像大小而保持圖像細節(jié)的信息。高的壓縮比可節(jié)省數碼相機的存儲空間,在數碼圖像傳輸時,可以加快傳輸速度。2.5市售地區(qū)8m、16m、32m一般數碼相機備有存儲器,存儲器的容量有8MB、16MB、32MB、64MB等。存儲器中存滿照片后,數碼相機不能再拍照,這時需要通過USB接口,轉存到PC機中。2.6打印或與觀音卡、打印張拉語文件某些數碼相機,對每張照片附加了一個聲音文件,使數碼相機更具特色;有些相機可直接與打印機連接而進行打印照片;具有微距鏡頭的數碼相機可進行顯微攝影等等。2.7數字高清視頻數碼相機的規(guī)格品種非常繁多,應用一例來說明數碼相機的性能,如徠卡Digilu×2的主要性能:傳感器:2/3英寸CCD,524萬像素(有效像素500萬,像元3.4μm)。影像規(guī)格:2560×1920,2048×1536,1600×1200,1280×960,640×480,1920×1080,320×240(動態(tài)影像)。文件格式:RAW.JPEG(超高精細.精細.標準)動態(tài)影像。存儲介質:隨機配64MBSD卡。鏡頭:LeicaDCVario-Summicrom7.0mm~22.5mm,F2.0~F4(相當于135相機,28mm~90mm鏡頭),10組13片,最近距離為3cm,進行微距拍攝。數碼變焦:3倍快門速度:8s~1/4000s。曝光補償:±2eV,以1/3eV為一級調校。白平衡:自動.手動預設(日光、陰天、日光燈、閃光燈)。內置閃光燈:指數10(ISO100)有效范圍:廣角5m,長焦4m。電源:1400mA,7.2V,可充電,鋰離子電池。3特殊攝影3.1導色內導物的屬近幾年來很多數碼相機能拍攝近距離物體,這對于科學實驗而言,往往可以用作有力的記錄手段,諸如:尼康數碼相機微距拍攝距離在2cm內的COOLPIX950,995,4500,5000,5400等,在4cm以內拍攝的有COOLPIX885,4300,3500,3100等。微距拍攝需克服兩個主要技術問題:一是當鏡頭非常接近物體時,產生景深不足;二是近距離拍攝時光線造成的陰影現象,但通過穩(wěn)固的三腳架.光線布局合理,以及鎖定合適拍攝距離等等措施,已經得到效果良好的微距拍攝的照片。3.2國內銷售一部分,局部出口近年來,浙江大學國家光學儀器工程技術研究中心開發(fā)的顯微鏡電子目鏡已成批生產,產品國內銷售一部分,大部分外銷。它是采用CMOS做成像傳感器,有黑白和彩色CMOS兩類,以供拍攝黑白照片或彩色照片,把普通顯微鏡中的目鏡,用電子目鏡代之,當用模擬信號時可以在電視上看圖樣,通過USB接口進入PC機時,可在電子計算機上觀察或處理圖像。3.3數碼長片超壓法一般數碼相機,皆能拍較遠距離的照片,也有在望遠系統(tǒng)上加上數碼相機,如雙筒望遠鏡上配上數碼相機,另一種專門設計了望遠用電子目鏡,代替原來目鏡,從而構成望遠鏡數碼系統(tǒng),這類產品深受國際市場歡迎。4數碼彩擴t圖像輸出是數碼成像的終端設備,數碼影像銀鹽相紙化,即采用設備輸出數碼影像,舉例為:4.1數碼彩擴法LCD是liquidcrystaldisplay的縮寫,意為液晶顯示。LCD法是利用液晶顯示與光源的結合使相紙曝光,即在LCD板的背面,用光源照射的同時,將數字信號送至LCD板,這樣LCD成了“數碼底片”,使數碼影像曝光于相紙上。LCD板的不足是像素僅有幾十萬—二百萬,僅可擴印5英寸~6英寸的照片,上海麗寶、天達等皆用此法。上海索非亞采用此法,已可擴印12英寸×18英寸照片。4.2CRT法CRT是cathoderaytube(陰極射線管)的縮寫。利用陰極射線管將傳送給它的電信號轉化為光信號,曝光彩色相紙,第一代的數碼彩擴皆用此法。它的特點能表現千姿百態(tài)的豐富畫面,但一般僅印小于8英寸的照片,于是出現高清晰度陰極限射線管,可輸出12英寸×18英寸照片。4.3激光法通過紅綠藍三色激光器,將數字電信號轉化為紅.綠。藍曝光于相紙,激光能制清晰度高。色彩鮮艷的照片。該法且?guī)缀酹毑酱蠓鏀荡a影像的天下。中幅面的激光數碼彩擴機有富士的魔術手(Froniter)系列,日本諾日士QSS-3021、3101等,它們最大幅面為12英寸×18英寸,分辨力為300dpi~400dpi;大幅面的激光彩擴機有意大利的寶麗等,浙江大學國家光學儀器工程技術研究中心的32英寸激光彩擴機已研制成功,已于2004年進行項目驗收。4.4打印輸出上面介紹的數碼彩擴法,只是輸出方法之一。在PMA2003展覽會上,展出的噴墨技術,很適合中幅面的打印工作,會上還有兩家專門做黑白噴墨打印的公司,專賣黑白噴墨而研制的黑墨水(不同程度的黑白)和專門設計的軟件,非常適合黑白的藝術品的打印,有打印輸出,有黑白激光打印,彩色噴墨打印等,還有的公司采用熱升華法等等,常用數碼輸出設備的分辨力為:4.5掃描儀把普通底片轉換成像數碼影像,則用底片掃描儀,底片、文件、圖像之類經掃描儀掃描成數碼圖像,從而可把這些圖像、文件進入計算機處理。掃描儀的兩個指標即光學分辨力和色位方式,中檔產品的指標為2400×4800dpi/48bit,2400×4800是CCD的光學分辨力,而48bit的色位,意味著RGB三種顏色中,每個通道將以16bit方式取樣。一般常用的TIFF和JPEG格式的每通道取樣只有8bit。下表是部分掃描儀的性能特性。5錄像和錄像結合采用攝影世界2004年末的兩篇文章的精神,作結束語,在尼康天地欄目中,關于尼康數碼相機的發(fā)展情況是這樣說明的,Coolpix的專業(yè)系列很自然地沿兩個方面延伸發(fā)展:(1)數碼相機像素的增長,從最初的100萬像素、200萬像素、300萬像素,發(fā)展到近兩年的400萬,500萬直至時下主流的800萬像素;(2)綜合傳統(tǒng)膠片相機的成熟功能和數碼相機特有的計算機及光電技術特性,拍攝功能不斷增強、完善、甚至拓寬。Coolpix普及系列歸納為兩方面:像素不斷發(fā)展和簡單、方便、時尚和將專業(yè)攝影“還俗于民”。可以對尼康今后推出的Coolpix專業(yè)系列數碼相機進行一些大膽的預測,像素大概會達到1000萬像