第二章有关数学基础CCD和彩色原理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,CCD成像及彩色原理 第二章有关数学根底的扩展,Interface of Digital Imaging,CCD原理,电荷耦合器件Charge Coupled Device，即CCD，一种集光电转换、电荷存贮、电荷转移为一体的传感器件，最早由贝尔实验室创造。构成CCD的根本单元是MOS电容。,CCD构造：,“微型镜头,等于在感光层前面加上一副眼镜。,感光面积不再由传感器的开口面积,决定，而改由微型镜片的外表积来,决定。,“分色滤色片,目前有两种分色方式，,一是RGB原色分色法，,另一个那么是CMYK补色分色法。,原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点是噪声问题。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了局部影像的分辨率，但补色CCD可以容忍较高的感光度。,感光层,这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像复原。,功能：,光-电转换功能在P型单晶硅的衬底上做一层绝缘氧化膜,再在氧化膜外表做出许多排列整齐的可透光的电极,当光线通过时,氧化膜与P型单晶硅之间产生电荷,其电荷的数量与光照强度及照射时间成正比,这就是的光电转换功能。,2电荷存贮功能假设在电极加上一个适当的正电压,那么在电极和衬底之间产生一个电场,这个电场在P型硅中将载流子带正电的空穴排斥到衬底电极一边,在电极下硅衬底外表形成一个没有可动空穴的带负电的区域,这个区域称作电荷耗尽区,这就是能够吸引电子的势阱,电极上所加的电压越高,势阱越深,电荷留在阱内量越多,只要电压存在,电子就能储存在势阱里,当景物的光照射到时,具有光敏特性的P型硅在光量子的激发下产生电子-空穴对,空穴移向衬底而消失,电子进入势阱并存储在那里,由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极,因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包,其电荷量的多少与光照强度成正比,所有电极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。,3电荷转移功能势阱的深浅由电极上所加电压的大小决定。电荷在势阱内可以流动,它总是从相邻浅阱里流进深阱中, 这种电荷流动称为电荷转移。假设有规律改变电极电压,那么势阱的深度就会随之变化,势阱内电荷就可以按人为确定的方向转移,直到最终由输出端输出。这就是CCD的电荷转移原理。,电荷转移又分单相驱动、双相驱动、三相驱动及四相驱动等多种方式,除了电极构造及所加电压波形不同以外,其转移原理是一样的。四相驱动方式即将绝缘层上的电极按列的方式每四个分为一组,形成一个像素单元,每组电极分别加上不同的偏置电压,那么在电极下绝缘膜与P型硅之间就产生不同深度的势阱,如果有规律地改变电极上的电压值,使势阱产生变化,就可以使电子定向移动,这也就是CCD的扫描读出原理。,根据转移电极构造及转移方式的不同又分成帧转移(FT)方式;行间转移(IT)方式;帧行间转移,CCD的四种类型 ：,linear 线性、interline扫描、全景 full-frame和 frame-transfer 全传,线性CCD,是以一维感光点构成，透过,步进马达扫描图像。多用于平台,式扫描仪之上。,Interline 扫描型,透过垂直传送带从暂存矩阵中,读出讯号，再向下转移至底部水平,转换记录器然后电荷在搬到放大器,中再到DSP里读出水平光电位置行列，,产生完整的数字影像。清空缓存器后，,再重新设定光电位置以便接收下一张,影像。速度较快，缺点是动态范围,较小。,Full-Frame 全像 CCD,是一种架构更简单的感光设计。利用整个感光区域没有暂存区的设计，有效增大感光范围，同时也适用长时间曝光。其曝光过程和 Interline 一样，不过感光和电荷输出过程是分开的。因此，使用 FF CCD的数字相机在传送电荷信息时必须完全关闭快门，以隔离镜头入射的光线，防止干扰。这也意味着 FF 必须使用机械快门无法使用 IL 的电子 CLOCK 快门)，同时也限制了FF CCD的连续拍摄能力。Full-Frame CCD 大多被用在顶级的数位机。,Frame-Transfer 全传 CCD,架构介于 IL 和 FF 之间的产品，分成两个局部。上半部是感光区，下半部是暂时存储区。整体来说 Frame-Transfer CCD 非常的类似 Full-Frame CCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FT CCD 运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身那么可以继续曝光拍照。这个设计，让FT 同IL 一样可以使用电子快门，但同时也可增加感光面积和速度。,彩色线阵3 CCD举例：,Basler L300kc,彩色单CCD举例Bayer成像方法:,分别采集RGB信号，之后通过插值运算得到最终的彩色图像。,四种模式,插值运算,绿色,红和蓝,颜色与颜色空间,1.1 颜色,光波：光是一种按波长辐射的电磁波。,如图，可见光谱,颜色,视觉系统对可见光的感知,视网膜上锥状光敏细胞：光强与颜色。,视网膜上杆状光敏细胞：光强。,颜色度量：色调、饱和度、亮度,光的物理性质：波长光速，频率和幅度,人眼对色彩的感觉：色调、饱和度和亮度,色调波长,亮度幅度,饱和度色光的纯度,色调hue:,色调hue:人眼感觉到物体反射或发射光波的波长。色调就是颜色的分类。如,七色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,在色谱中，色调连续变化。,色调,饱和度saturation,饱和度saturation：指颜色的纯粹程度。,与亮度有关：某一色调参入白光，色调不变但饱和度降低,与参入其它颜色的光有关：饱和度与色调都会改变。,不完全饱和 完全饱和 不完全饱和,亮度,：,人眼感受到的颜色光的强度,同一种色块，在不同强度的白光照射下，,反射的光波波长一样色调一样，但,人眼感觉到的颜色不同。,某一颜色的光，量度很弱，趋于黑色，,反之，趋于白色。,颜色相加与相减,相加：发光物体发出某些波长的光波，,这些波长的光波叠加在一起。,相减：白光照在某种颜色的物体上。局部,波长的光波被吸收，剩下波长的光,波进入人的眼睛。,1.2 颜色空间,彩色空间：,色度图国际亮度委员会International Committee on Illumination, CIE说明定义颜色至少需要3个参数。用3元组(x, y, z)表达一个颜色和在3维空间定义一个点相似，称为彩色空间。,常见颜色空间：,RGB: 显示器信号,HSI：人眼识别,CMY：彩色印刷,YUV (YCbCr) ：电视信号,1. RGB颜色空间,计算机显示器用红R、绿G、蓝B光的组合产生颜色，(R,G,B)的值唯一地确定在显示器上的显示颜色， 如180，70，250产生一个偏绿的蓝色,三种颜色构成了三维空间坐标- RGB颜色空间,RGB色彩空间,电子枪,控制电路,荧光面,电子束,像,素,发,光,点,CRT构造示意图,CRT的颜色产生,2. HSI(Hue, Saturation,Intensity)颜色空间,HSI能减少彩色图像处理的复杂性。,符合人对彩色的认识：,色彩：色调、饱和度,亮度：非彩色属性，对应黑白图像的灰度。,色调和饱和度通称为色度，表示颜色类别与深浅程度。,HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：,色相由角度等价,HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：,白,极浅,浅灰,灰,深灰,极深,黑,浅,亮浅,暗,深,鲜艳,黯淡,完全饱和,HSI色彩空间模型,3. CMY(K)彩色空间,青色(Cyan)， 洋红色(Magenta)， 黄色(Yellow)，黑色(blacK) 颜料或油墨，应用减色原理实现彩色。,彩色打印、彩色印刷,CMYK: 在CMY的根底上，增加黑色,4. YUVYCbCr色彩空间,YUV亦称YCrCb是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法属于PAL。,亮度信号Y和两个色差信号RY即V、BY即U,YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽RGB要求三个独立的视频信号同时传输。,YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系：,1.3 彩色图像处理,彩色变换：,g(x, y)= T f(x, y) , f(x, y)是彩色输入图像，g(x, y)是变换或处理过的彩色输出图像。,补色：,当两个色光混合成白色,色光时，将这两个色光的,主波长定义为互补波长。,彩色平衡：,原因：三基色“不平衡,步骤：,1.检查是否所有灰色物体显示为灰色,2.检查高饱和度的颜色是否有正常的色相,3.线性灰度变换：对R、G、B分别进展。,饱和度增强：,通过对每个像素的饱和度乘以一个大于1的常数，将使图像的彩色更为明显。同样，乘以一个小于1的常数会减弱彩色的明显程度。,色相变换：,色相是一个角度，为每个像素的色度加一个常数即所谓的色相变换。,