第二章有关数学基础-CCD和彩色原理

1、CCD成像及彩色原理 第二章有关数学基础的扩展的扩展Interface of Digital Imaging Interface of Digital Imaging CCDCCD原理原理 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，最早由贝尔实验室发明。构成CCD的基本单元是MOS电容。 CCD结构：“微型镜头微型镜头”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C

2、CD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。功能功能：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

3、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

4、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。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

5、间转移(IT)方式;帧行间转移CCD的四种类型的四种类型 ：linear线性、interline扫描、全景full-frame和frame-transfer全传线性线性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）

6、，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。Frame-Transfer 全传全传 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

7、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。 彩色彩色线阵线阵3 CCD3 CCD举例：举例：Basler L300kc 彩色单彩色单CCD举例举例Bayer成像方法成像方法:分别采集RGB信号，之后通过插值运算得到最终的彩色图像。四种模式插值运算插值运算绿色红和蓝颜色与颜色空间1.1 颜色颜色 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

8、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。不完全饱和不完全饱和 完全饱和完全饱和 不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（色调相同），但人眼

9、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。部分波长的光波被吸收，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1. RGB颜色空间颜色空

10、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色彩空间电子枪电子枪控制电路控制电路荧光面荧光面电子束电子束像像素素发发光光点点 CRTCRT结构示意图结构示意图 CRT的颜色产生2. HSI(Hue, Saturation,Intensity)颜色空间颜色空间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。HSI色彩空间和RGB色彩空间转

11、换公式：1261213xRGByGBzRGB22( , )xyang x ymax123()3min( , )311min( , )1 2cos ()()()2IRGBR G BSR G BRGBIRGRBRGRB GBGBHGB 色相由角度等价cos()1(1)30120cos(60)33cos(120 )1(1)3120240cos(180)33cos(240 )1(1)3240360cos(300)33ISHIRBSGIRBHHISHIGRSBIR GHHISHIBGSRIGBHHHSI色彩空间和RGB色彩空间转换公式：白白极浅极浅浅浅灰灰灰灰深深灰灰极深极深黑黑浅浅亮亮浅浅暗暗深深鲜艳

12、鲜艳黯淡黯淡完完全全饱饱和和HSI色彩空间模型色彩空间模型3. CMY(K)彩色空间彩色空间青色(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111CRMGYB 4. YUV（YCbCr）色彩空间）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：0.2990.5870.1140.1470.2890.4360.6150.5150.1001.140.390.582.03YRGBURGBVRGBRYVGYVVBYU 1.3 彩色图像处理彩色图像处理 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