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使用CCD为感光元件的相机工作原理及插值法

日期:2018-06-05 08:26   来源:全球摄影网   作者:   责编:李宇翔   阅读:3777
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使用CCD为感光元件的相机采用电荷耦合器件作为其感光元器件。其原理是芯片上面整齐地排列着很多小的感光单元,光线中的光子撞击每个单元后,在这些单元中会产生电子(光电效应),光子的数目与电子的数目互成比例。但在这一过程中,光子的波长并没有被转换为任何形式的电信号,也就是说,CCD裸芯片实际上没有把色彩信息转换为任何形式的电信号。那采用CCD作为感光元件的彩色数字相机是如何生产彩色图像的呢?

使用CCD为感光元件的相机工作原理

单CCD数码相机通过彩色滤波阵列(CFA)获得图像的色彩信息,即彩色滤波阵列在每个像素的位置处只允许R、G、B一种颜色的光透过,到达CCD,这样单CCD数码相机采集的每个图像像素只有一个颜色分量,所以要显示R、G、B三颜色分量完全的彩色图像,就必须通过区域估算来恢复另外两种颜色分量,这个估算颜色分量的过程就称为CFA插值。

单色相机成像原理图

如果我们在相机内部采用一个分光棱镜和三个CCD,棱镜将光线中的红、绿、蓝三个基本色分开,使其分别投射在一个CCD上,这样每个CCD就只对一种颜色分量感光,那么就可将CCD作为相机感光芯片,输出红、绿、蓝三色分量。这种解决方案在实际应用中效果非常好,但缺点是采用3个CCD棱镜的搭配必然导致价格很贵。因此,科研人员在很多年前就开始研发只用一个芯片也能输出各种彩色分量的相机。

3CCD彩色相机工作原理图

当用Bayer格式的时候,便很好地解决了只用一个芯片也能输出各种彩色分量的相机的问题。Bayer格式图片是伊士曼·柯达公司科学家Bryce Bayer发明的,Bryce Bayer所发明的拜耳阵列被广泛运用数字图像。Bayer格式图片在一块滤镜上设置不同的颜色,通过分析人眼对颜色的感知发现,人眼对绿色比较敏感,所以一般bayer格式的图片绿色格式的像素是RG像素的和

另外,Bayer格式是相机内部的原始图片, 一般后缀名为.raw。很多软件都可以查看,比如PS。我们用相机拍摄下来存储在存储卡上的.jpeg或其它格式的图片,都是从.raw格式转化过来的。

单CCD彩色相机工作原理图(加装了拜耳滤光片)

插值法

每一个像素仅仅包括了光谱的一部分,必须通过前面所说的插值来实现每个像素的RGB值。目前比较常用的插值方法有两种,即双线性插值法和边缘检测法。

1、双线性插值法

图像单个像素所在位置上为获得另外两种色彩分量,由该像素周围3*3邻域内,将所求颜色分量像素求和后取平均值作为像素所求颜色的值,如下图所示:

双线性差值的Bayer CFA格式

B7点缺少G分量和R分量,G3点缺少B分量和R分量,B7点具体计算过程如公式(1)~(3)所示:G’7、R’7、B’7分别表示插值后G分量、R分量和B分量;

G’7=(G3+G6+G8+G11)/4    (1)

R’7=(R2+R4+R10+R12)/4    (2)

B’7=B7                     (3)

G3点具体计算过程如公式(4)~(6)所示:R’3、B’3、G’3分别表示经过插值后G3点位置处R分量、B分量和G分量。

R’3=(R2+R4)/2            (4)

B’3=(B1+B7)/2            (5)

G’3=G3                     (6)

这种插值方法在计算方面虽然简单,而且在DSP(数字信号处理器)内部易于实现,但这种计算缺失颜色分量的方法忽略了图像高频信息即图像边缘,在图像边缘计算缺失颜色分量时造成色彩复原错误。

2、边缘检测方法

这种色彩复原的方法先根据Bayer图像边缘的形式对所缺失的G分量进行计算,如图a,图像存在竖直方向的边缘,图(b)中图像存在水平方向的边缘。计算像素B7位置缺失的G颜色飞亮G’7是根据Bayer图像边缘的水平梯度H=|G6-G8|和垂直梯度V=|G3-G11|来选择公式(7)、(8)、(9)中的一个来计算。

G’7H=(G6+G8)/2      (7)

G’7V=(G3+G11)/2      (8)

G’7A=(G3+G6+G8+G11)/4      (9)

操作如下(T是域值):如果满足条件H>T和V<T,选择公式(7);而满足条件H<T和V>T,选择公式(8);其余条件下选择公式(9)。

图a为垂直边缘,图b为水平边缘

相对于双线性插值法,边缘检测方法在恢复缺失颜色分量错误像素的数量大大减少,但这种方法也有它的局限性,主要是运算比双线性插值复杂,而且其只对图像的水平、垂直两个边缘进行考虑,对其他情况下的边缘没有考虑。

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