Sony 3CCD 摄像基础技术

Sony3CCD摄像基础技术3CCD芯片成像基本原理通过内置光学棱镜分开折射R、G、B三原色3CCD芯片分别对应处理R、G、B三原色CanwaHeadIJhlESWC

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cirwmTQfiR£TU*I*—PfKkTFrr&GMH3CCD与单CCD成像的比较图1单CCD成像原理3CCD成像解决了单CCD成像色差串扰大的问题。3CCD成像解决了单CCD成像噪波大的问题，信噪比从5OdB提高到60dB。3CCD成像与单CCD成像相比，大幅度提高了清晰度，从480TLV提高到800TLV。3CCD像数的计算数字信号处理成像应用技术原理电子快门的选择色温白平衡细节电平动态对比度控制6.伽玛校正7.拐点校正8.线性矩阵电子快门的选择使用电子快门功能，可以拍摄到高速运动物体的清晰画面。但设定的电子快门速度越快，CCD所能接受的光量越少，所需要的光圈越大。当电子快门关闭时，经过光电转换后的电荷在进入垂直消隐期间之前被存储，当电子快门打开时，在指定的时间内，被存储的电荷会全部被送到纵向OFD（溢流沟道）中丢弃，接下去进行再一次电荷储存。因此，实际上的受光时间，只有从丢弃时开始到传送到垂直移位寄存器的这段时间。电子快门设定的时间越短，转移的电荷越少，就可以获得很高的动态清晰度。色温彩色摄像机的色彩重现很大程度上与光线有关。人眼能够适应光的变化，一个物体在不同的光线照射下，它的颜色人眼看起来是一样的，而摄像机则不能适应光线的变化，当光线发生变化后，拍摄的物体的颜色会有变化。发光体的颜色与它的温度有关，几乎所有的物体在相同温度下发出的光具有相同的颜色，具有相同的光谱。热辐射光源是通过吸收热量、而不需要通过其他方式补充能量的光源。在室温下，大多数物体辐射的是不可见的红外光；当物体加热到770K，开始辐射暗红色可见光；约在1770K时，开始发白光。物体的热辐射过程的光谱特性与物体的温度有关，因此，我们用“色温”来定义发光体。色温是用来描述光源的，但仅用于描述光源的光辐射特性，并非描述物体的颜色；色温表示的是光源的颜色成分，并非光源的实际温度。色温是摄像机色彩重现的关键因素，随着发光体色温的变化，它的光谱也随之变化。绝对黑体在低温下长波光的比例大，在高温下短波光的比例大。人眼可以适应于光线的变化，无论光谱如何变化，白色的物体人眼看起来都是白色。但摄像机就必须通过调整以使白色视频信号及所有色度信号保持一致。这就是在光线变化后，必须调整白平衡的原因。日光色温情况：日出/日落2000-3200K；阴天6800-7500K烟雾8000K；蓝天10000-20000K中午5400K；一般白天6500K灯光色温情况：低色温专用灯3200-3400K；高色温专用灯5500K；闪光灯6000K；钨丝灯2800K；烛光/篝火1900K；日光灯3000-4800K；细节电平所有的摄像机都使用图象增强技术来改善图象质量。简单的说，图象增强技术就是增强亮区到暗区和暗区到亮区对比度，即提高视频信号边缘的脉冲锋值，即物体垂直和水平边缘变的更清晰。细节电平的调整关系到图象改善的程度，即画面细节的清晰度。改善信号细节的方法有两种，第一种方法是通过将信号延迟并重新组合，获得细节校正的信号；第二种方法是使用特殊电路将信号边缘的脉冲锋值提高来进行信号细节的校正在Sony的3CCD数字摄像机中，细节校正包括“总细节电平调整”、“垂直细节电平混合率调整”、“水平细节信号脉冲宽度调整”、“H和V细节切割电平调整”、“伽玛校正后细节混合率调整”、“皮肤色调细节调整”、“匀边电平调整”、“电平从属电路调整”。动态对比度控制动态对比度控制（DCC）的功能是当拍摄高对比度图象时，可以重现画面的细节。例如从室内拍摄一个站在窗前的人时，即使室内和室外的光线不同，都可以在监视器上重现窗外景色的细节。DCC的基本原理与拐点校正相同。不同的是DCC通过自动控制场景视频信号电平的拐点而获得更宽的动态范围。例如，当拍摄一个没有高亮度区域的场景时，拐点会被调整到一个接近白色切割电平的位置，这样图象的细节会被线性的重现。另一方面，当入射光远远高于白切割电平时，DCC处理电路会根据光线的强度降低拐点，保持高对比度。伽玛校正在电视和图形监视器中，显象管发生的电子束及其生成的图象亮度并不是随显象管的输入电压线性变化。电子流与输入电压相比是按照指数曲线变化的，输入电压的指数要大于电子束的指数。这说明暗区的信号比实际情况更暗，而亮区比实际情况更亮。所以，要重现摄像机拍摄的画面，电视和监视器必须进行伽玛补偿。这种伽玛校正也可以由摄像机完成。我们对整个电视系统进行伽玛补偿的目的，是使摄像机根据入射光亮度与显象管的亮度对称而产生输出信号，所以应对图象信号引入一个相反的非线性失真，既与电视系统伽玛线对应的摄像机伽玛曲线。它的值应为1/r,称为摄像机的伽玛值。电视系统的伽玛值约为2.2,所以电视系统的摄像机非线性补偿伽玛值为0.45。彩色显象管的伽玛值为2.8，它的图象信号校正指数应为1/2.8=0.35，但由于显象管内外杂散光的影响，重现图象的对比度和饱和度均有所降低，所以现在的3CCD彩色摄像机的伽玛值仍多采用0.45。在实际应用中，可以根据实际情况在一定范围内调整伽玛值，以获得最佳效果。由于伽玛校正对彩色还原有着举足轻重的作用，伽玛校正曲线又是一种非常复杂的非线性曲线，所以伽玛校正需要非常精确。Sony3CCD摄像机使用14bit/32MHz的全数字处理来完成这项工作，以32段线性校正来接近伽玛校正曲线。拐点校正摄像机的白切割电路是用来防止输出信号超过可用的视频电平，白切割点通常设定在视频电平的110%到120%的位置。由于白切割电路只是简单的将高亮度区的视频电平限制在一个确定的值，因此，亮区的图象细节就不能被重现了。拐点校正就是用来解决这个问题。拐点校正电路的功能是将超过确定视频电平的信号进行压缩，这个压缩点就是拐点。拐点校正电路将超过拐点的视频输入信号进行压缩，多增加一个渐变区域，这样拐点以上亮区的一些细节信息就可以被还原出来，摄像机的动态范围也被扩大了。线性矩阵所有的可见光都可以由R、G、B三原色组成，而三原色的光谱特性是不同的，在某些区域包括了负的光谱响应。由于负区光这部分是不可能产生的，所以有一些颜色是不能得到光学上的再生。但是，在视频摄像机中要实现全彩色再现，这些负区光的值是不能被忽略的。线性矩阵电路根据R、G、B视频信号的负光谱响应再生和增加与其电路信号进行补偿。矩阵校正电路被设计在伽玛校正之前，这样就保证补偿值不会超过伽玛校正的范围。彩色校正现在主要通过线性矩阵电路经过线性变换实现。根据R、G、B三原色的光谱响应曲线，得出其线性关系为：R'=a1R+b1G+c1BG'=a2R+b2G+c2BB'=a3R+B3G+c3B经过矩阵变换后，其线性关系为：R'=R+b1(G-R)+cl(B-R)G'=a2(R-G)+G+c2(B-G)B'=a3(R-B)+b3(G-B)+B此时，只需要确认a2、a3、bl、