彩色ccd相機工作原理

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1、彩色CCD相機工作原理很多數(shù)字相機采用電荷耦合器件（CCD）作為其感光元器件。CCD的原理很簡單：我們可以把它想象成一個沒有蓋子的芯片，上面整齊地排列著很多小的感光單元，光線中的光子撞擊每個單元后，在這些單元中會產(chǎn)生電子（光電效應(yīng)），光子的數(shù)目與電子的數(shù)目互成比例。但在這一過程中，光子的波長并沒有被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號，換言之，CCD裸芯片實際上都沒有把色彩信息轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號。那么采用CCD作為感光元件的彩色數(shù)字相機是如何生產(chǎn)彩色圖像的？其圖像存在哪些優(yōu)缺點？1、單色相機我們首先從相對簡單的黑白數(shù)字相機入手。如圖所示，物體在有光線照射到它時將會產(chǎn)生反射，這些反射

2、光線進入鏡頭光圈照射在CCD芯片上，在各個單元中生成電子。曝光結(jié)束后，這些電子被從CCD芯片中讀出，并由相機內(nèi)部的微處理器進行初步處理。此時由該微處理器輸出的就是一幅數(shù)字圖像了。2、3CCD彩色相機CCD芯片按比例將一定數(shù)量的光子轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的電子，但光子的波長，也就是光線的顏色，卻沒有在這一過程中被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號，因此CCD實際上是無法區(qū)分顏色的。在這種情況下，如果我們希望使用CCD作為相機感光芯片，并輸出紅、綠、藍三色分量，就可以采用一個分光棱鏡和三個CCD，如圖所示。棱鏡將光線中的紅、綠、藍三個基本色分開，使其分別投射在一個CCD上。這樣一來，每個CCD就

3、只對一種基本色分量感光。這種解決方案在實際應(yīng)用中的效果非常好，但它的最大缺點就在于，采用3個CCD+棱鏡的搭配必然導(dǎo)致價格昂貴。因此科研人員在很多年前就開始研發(fā)只使用一個CCD芯片也能輸出各種彩色分量的相機。3.單CCD彩色相機(1)成像原理如果在CCD表面覆蓋一個只含紅綠藍三色的馬賽克濾鏡，再加上對其輸出信號的處理算法，就可以實現(xiàn)一個CCD輸出彩色圖像數(shù)字信號。由于這個設(shè)計理念最初由拜爾（Bayer）提出，所以這種濾鏡也被稱作拜爾濾鏡。如圖所示，該濾鏡的色彩搭配形式為：一行使用藍綠元素，下一行使用紅綠元素，如此交替；換言之，CCD中每4個像素中有2個對綠色分量感光，另外

4、兩個像素中，一個對藍色感光、一個對綠色感光。從而使得每個像素只含有紅、綠、藍三色中一種的信息，但我們希望的是每個像素都含有這三種顏色的信息。所以接下來要對這些像素的值使用“色彩空間插值法”進行處理。以上圖中左下角的黃色區(qū)域為例，插值算法可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域像素紅色和綠色像素均含有大量電荷，但藍色像素電荷數(shù)為零，所以可以計算出，這個像素區(qū)域?qū)嶋H上是黃色的。如果以上圖為例對3CCD的成像結(jié)果與單CCD+色彩插值處理后的結(jié)果進行比較，我們將發(fā)現(xiàn)所得圖片完全一致。但該結(jié)論僅對這幅圖像成立！因為這副圖片色彩對比簡單、邊界規(guī)則。而在實際應(yīng)用中，即使最成熟的色彩插值算法也會在圖片中產(chǎn)生低通效

5、應(yīng)。所以，單CCD彩色相機生成的圖片比3CCD彩色相機生成的圖片更加模糊，這點在圖像中有超薄或纖維形物體的情況下尤為明顯。但是，單CCD彩色相機使得CCD數(shù)字相機的價格大大降低，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今天CCD的質(zhì)量都有了驚人的進步，因此大部分彩色數(shù)碼相機都采用了這種技術(shù)。(2)成像類應(yīng)用在成像原理的介紹中我們使用的是把一幅圖片中的紅、綠、藍三色分離而得的三副圖片。現(xiàn)在，我們將使用這張圖片的原始數(shù)字圖像介紹兩種簡單的插值處理算法。臨近像素復(fù)制法填補缺失的色彩值的最簡單方法就是從臨近像素中獲取色彩值。以拜爾濾鏡中第二行第一個綠色像素為例，在源圖像中該點實際是紅色的，但經(jīng)拜

6、爾濾鏡中綠色鏡片過濾后，該點色值為零。我們只需要把臨近紅藍像素中的紅色與藍色值復(fù)制到該像素中，就能獲得其RGB值（255，0，0）。就此例而言，這種插值法計算出了正確的RGB值。但在實際應(yīng)用當中，對于靜止圖像，這種簡單的插值法所生成的結(jié)果是不可接受的。由于它算法簡單且不耗費多少時間，我們可以將其用于對圖像質(zhì)量要求不高的視頻數(shù)據(jù)流中（例如視頻預(yù)覽）。臨近像素均值法（雙線性插值）我們可以對“復(fù)制插值法”作出的最直接改進就是使用若干臨近像素的均值。如下圖所示，這種方法對于上例中的象素點，同樣可以計算出正確的RGB值（255，0，0）。針對圖中第二個示例像素點的計算指出了均值法的

7、一個重大缺陷：均值法有低通特性，并由此將清晰的邊界鈍化。如該點RGB值本應(yīng)是（255，0，0），但計算后變成了（255，128，64），即由紅色變成了棕橙色。當然，今天大部分數(shù)字相機的色彩插值算法都要大大優(yōu)于上面介紹的兩種基本算法，但是使用相機的現(xiàn)場工程師幾乎不大可能調(diào)整或改變一款相機內(nèi)置的色彩插值算法。3)測量類應(yīng)用在以測量為目的的應(yīng)用場合，色彩插值法存在以下重要缺點：a.每個像素都具有紅、綠和藍的色彩值，但這三個值中只有一個真正來自CCD。其它兩個值都由插值法計算而得，因此都是估算值。b.這些估算值不僅干擾測量過程本身，而