第二章有关数学基础-CCD和彩色原理PPT课件

.,1,CCD成像及彩色原理第二章有关数学基础的扩展,.,2,InterfaceofDigitalImaging,.,3,CCD原理电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，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，最早由贝尔实验室发明。构成CCD的基本单元是MOS电容。CCD结构：“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，而改由微型镜片的表面积来决定。“分色滤色片”目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是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，但却牺牲了部分影像的分辨率，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，将影像还原。,.,4,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,再在氧化膜表面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电荷存贮功能若在电极加上一个适当的正电压,则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,在电极下硅衬底表面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。若有规律改变电极电压,则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。,.,5,.,6,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,则在电极下绝缘膜与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。根据转移电极结构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,.,7,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。,.,8,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相同，不过感光和电荷输出过程是分开的。因此，使用FFCCD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FFCCD的连续拍摄能力。Full-FrameCCD大多被用在顶级的数位机。,.,9,Frame-Transfer全传CCD架构介于IL和FF之间的产品，分成两个部分。上半部是感光区，下半部是暂时存储区。整体来说Frame-TransferCCD非常的类似Full-FrameCCD，它的特点在于直接规划了一个大型暂存区。一旦FTCCD运作，它可以迅速将电荷转移到下方的暂存区中，本身则可以继续曝光拍照。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。,.,10,彩色线阵3CCD举例：BaslerL300kc,.,11,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,.,12,插值运算绿色红和蓝,.,13,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,.,14,.,15,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,.,16,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。,.,17,色调,.,18,饱和度saturation,饱和度saturation：指颜色的纯正程度。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,.,19,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（色调相同），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。,.,20,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。部分波长的光波被吸收，剩下波长的光波进入人的眼睛。,.,21,1.2颜色空间,彩色空间：色度图（国际亮度委员会InternationalCommitteeonIllumination,CIE）表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,.,22,1.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,.,23,.,24,RGB色彩空间,.,25,电子枪,控制电路,荧光面,电子束,像素发光点,CRT结构示意图,CRT的颜色产生,.,26,.,27,2.HSI(Hue,Saturation,Intensity)颜色空间,HSI能减少彩色图像处理的复杂性。合乎人对彩色的认识：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。,.,28,HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：,.,29,.,30,色相由角度等价,.,31,HSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：,.,32,.,33,3.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的基础上，增加黑色,.,34,4.YUV（YCbCr）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）。,.,35,YUV色彩空间与RGB色彩空间的转换关系：,.,36,1.3彩色图像处理,彩色变换：g(x,y)=Tf(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。,.,37,彩