《数码影像测试简介讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数码影像测试简介讲解（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数码影像测试技术一、 光学理论 光是自然界的产物，以下就光的特性及物理量进行说明。1. 可见光可见光是电磁波谱的一部分，可将人眼睛看作电磁波的接收器。能被人眼感知的电磁波为可见光。可参考下图： （图1-1）在温和照明下，眼睛对不同波长的光线的敏感度（图1-2）光的各个波长区域在光学中常用纳米（nanometer，1nm=1*10-9m）为波长单位，图1-1显示可见光中心波长为550nm，颜色为黄绿色。一般视力灵敏曲线在长波长处渐趋近于轴。一般定视力灵敏度降至其最大值的1%处为极限，两极限的波长分别为430nm和690nm。在此限度外之辐射强度若足够强，人眼睛仍能感觉到；若强度弱时在许多物理实验
2、中可用照相底片或感光灵敏的电子探测器代替人眼。2. 光源和光速物体本身能发光的，如太阳、火焰、电灯等称为光源（luminous source）。除了特殊用途的光源（如红外光源和紫外光源）外，大量的光源是作为照明用的。由于光源照射物体而反射光线，才能使我们感觉到物体的存在。光线可看作是由许多光子（photon）所组成，至于光束则是由许多光线汇集而成的光纤束。光在真空中具有最大的速度，用符号c表示光在真空中的速度，是一自然界的常数c=299，792.5km/s3. 发光强度、光照度与光亮度光源的发光强度称为光度,是光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量（luminous intensity）。
3、以鲸油脂制成的蜡烛，每小时燃烧120格冷（1grain0.0648克），所发出的光度为1国际烛光。光源每单位时间所辐射出来的能量为此光源之辐射通量，只有小部分（波长从400nm-700nm）的辐射通量能使人眼睛感觉到其存在，此部分的辐射通量称之为光通量（luminous flux），单位为流明（lm）。1标准烛光的光源，在1立体弧角内所通过的光通量称为1流明。物体被照射时，在与光线垂直的表面上，单位面积所受到的光通量称为照度（illuminance），单位为：勒克司（lx）、流明/m2（lm/m2）。光亮度：光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直给定方向上的平面上的正
4、投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度。其法定计量单位为坎德拉每平方米（cd/m2）须注意，不要把照度跟亮度的概念混淆。这是两个完全不同的物理量。照度表示受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而两度是表示任何形式的光源或被照射物体表面是面光源是的发光特性。如光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间的距离无关。二、 色彩1.色彩基础色彩，可分为无彩色和有彩色两大类。前者如黑、白。灰，后者如红、黄蓝等七彩。有彩色就是具备光谱上的某种或某些色相，统称为彩调。与此反，无彩色就没有彩调。无彩色有明有暗，表现为白、黑，也称色调。有彩色表现很复杂，但可以用三组特微值来确定
5、。其一是彩调，也就是色相；其二是明暗，也就是明度；其三是色强，也就是纯度、彩度。明度、彩度确定色彩的状态。称为色彩的三属性。明度和色相合并为二线的色状态，称为色调。 明度谈到明度，宜从无彩色人手，因为无彩色只有一维，好辩的多。（图）最亮是白，最暗是黑以及黑白之间不同程度的灰，都具有明暗强度的表现。若按一定的间隔划分，就构成明暗尺度。有彩色即靠自身所具有的明度值，也靠加减灰、白调来调节明暗。有彩色的明暗，其纯度的明度，以无彩色灰调的相应明度来表示其相应的明度值。明度一般采用上下垂直来标示。最上方的是白，最下方是黑，然后按感觉的发调差级，排入灰调。色相有彩色就是包含了彩调，即红、黄、蓝等几个色族，
6、这些色族便叫色相。最初的基本色相为：红、橙、黄、绿、蓝、紫。在各色中间加插一两个中间色，其头尾色相，按光谱顺序为：红、橙红、黄橙、黄、黄绿、绿、绿蓝、蓝绿、蓝、蓝紫，紫。红紫、红和紫中再加个中间色，可制出十二基本色相。彩度一种色相彩调，也有强弱之分。拿正红来说，有鲜艳无杂质的纯红，有涩而像干残的“凋玫瑰”，也有较淡薄的粉红。它们的色相都相同，但强弱不一，一般称为（SauralOn）或色品。彩度常用高低来指述，彩度越高，色越纯，越艳；彩度越低，色越涩，越浊。纯色是彩度最高的一级。2.色彩的混合 A：原色理论三原色，所谓三原色，就是指这三种色中的任意一色都不能由另外两种原色混合产生，而其他色可由这
7、三色按照一定的比例混合出来，色彩学上将这三个独立的色称为三原色。B：混色理论色彩的混合分为加法混合和减法混合，色彩还可以在进入视觉之后才发生混合，称为中性混合。（一）加法混合加法混合是指色光的混合，两种以上的光混合在一起，光亮度会提高，混合色的光的总亮度等于相混各色光亮度之和。色光混合中，三原色是朱红、翠绿、蓝紫。这三色光是不能用其它别的色光相混而产生的。而：朱红光翠绿光黄色光翠绿光蓝紫光蓝色光蓝紫光朱红光紫红色光黄色光、蓝色光、紫色光为间色光。如果只通过两种色光混合就能产生白色光，那么这两种光就是互为补色。例如：朱红色光与蓝色光；翠绿色光与紫色光；蓝紫色光与黄色光。（二）减法混合减法混合主要
8、是指的色料的混合。白色光线透过有色滤光片之后，一部分光线被反射而吸收其余的光线，减少掉一部分辐射功率，最后透过的光是两次减光的结果，这样的色彩混合称为减法混合。一般说来，透明性强的染料，混合后具有明显的减光作用。减法混合的三原色是加法混合的三原色的补色，即：翠绿的补色红（品红）、蓝紫的补色黄（淡黄）、朱红的补色蓝（天蓝）。用两种原色相混，产生的颜色为间色：红色蓝色紫色黄色红色橙色黄色蓝色绿色如果两种颜色能产生灰色或黑色，这两种色就是互补色。三原色按一定的比例相混，所得的色可以是黑色或黑灰色。在减法混合中，混合的色越多，明度越低，纯度也会有所下降。（三）中性混合中性混合是基于人的视觉生理特征所产
9、生的视觉色彩混合，而并不变化色光或发光材料本身，混色效果的亮度既不增加也不减低，所以称为中性混合。有两种视觉混合方式：A:颜色旋转混合：把两种或多种色并置于一个圆盘上，通过动力令其快速旋转，而看到的新的色彩。颜色旋转混合效果在色相方面与加法混合的规律相似，但在明度上却是相混各色的平均值。B:空间混合：将不同的颜色并置在一起，当它们在视网膜上的投影小到一定程度时，这些不同的颜色刺激就会同时作用到视网膜上非常邻近的部位的感光细胞，以致眼睛很难将它们独立地分辨出来，就会在视觉中产生色彩的混合，这种混合称空间混合三、 Sensor 介绍Sensor为感应器将光信号转换为电信号1.分类按用途分类a、线型
10、sensor，一般用于扫描仪、传真机b、面型sensor，一般用于照相机、sensor模组按工艺分类a、CCD sensorb、CMOS sensor这两种传感器都将光转变成模拟讯号输出，这是在每一个画素（Pixel）里所完成，所以要了解影像感测之前，必须先了解画素的定义和原理。传感器制造厂商对画素的定义是：在影像传感器上将光转换成电荷的基本单位。例如，数字相机有一个1280 x 960的影像传感器，就会有1,228,800个画素，这不同于电视与计算机屏幕制造业商所使用的画素定义。画素原理画素是影像传感器的基本要素，以CMOS传感器的画素为例，其包含一个光电二极管，用来产生与入射光成比例的电荷
11、，也包含一些晶体管，以提供缓冲转换和复位功能。当从画素电容所累积的电荷被抽样缓冲并传送给放大器（Gain Amplifiers）与模拟/数字转换器（A/D Converter）之后，所摄取影像的原始讯号才得以形成，具有这些功能才能形成一个影像传感器。信噪比影像传感器的信噪比（SNR）可以用分贝（dB）来表示，当信号强度到达一定强度时，信噪比并不会同步增加，但是，如果要让低数值讯号可以被检测到，那么信噪比就非常重要。色彩敏感度失衡彩色画素对不同频率的入射光有不同的灵敏度，将造成摄取影像的色彩失衡。当然，色彩失衡可以用数字化处理得到补偿，却会放大模拟/数字转换器（ADC）的量化噪声。现在的技术可以
12、解决色彩敏感度失衡的问题，同时将讯号送到ADC进行数字量化，运用色别增益或放大技术进行处理。暗电流（Black level）暗电流是在没有入射光时光电二极管所释放的电流量，理想的影像传感器其暗电流应该是零，但是，实际状况是画素中的光电二极管是充当电容器，当电容器慢慢地释放电荷时，就算没有入射光，其电压也会与低亮度入射光的电压相当。因此，不能确定画素是否真正看到了某些景物，或是因为从暗电流中所累积的电荷。所以，暗电流是画素的噪声之一，CCD与CMOS传感器的暗电流范围为0.075nA/cm22.0 nA/cm2以上。画素大小和填充比传感器能否摄取低亮度影像将取决于每个画素活动（采光）区的大小，较
13、大的画素使影像传感器摄取较多的光子，如此能提高画素的动态范围。但是，较大画素需要较多的硅芯片 ，使得生产成本垫高，因此藉由设定活动区域大小、低亮度敏感性，以及整个画素数组投射期望的图像，决定最佳化的影像传感器组件大小。CMOS传感器技术CMOS传感器是于1980年代发明出来，只是当时CMOS制程的制作技术不高，以致于传感器噪声大，商品化并不易。时至今日，CMOS传感器的应用范围非常的广泛，包括数字相机 、PC Camera、影像电话、第三代手机系统、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。由于使用层面广泛，非常有利于CMOS产品的普及，CMOS不但体积小，耗电量也不
14、到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3，画质已接近低阶分辨率的CCD，国内相关业者已开始采用CMOS替代CCD。与CCD相较之下，CMOS是标准制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且质量可随着半导体技术的提升而进步。同时 ，全球晶圆厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，CMOS传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有影像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移缓存器、时序控制、CDS、ADC等，如图所示，都可放在同一颗芯片上，甚至于所有的芯片包括后端芯片（Back-end Chip）、闪存（Flash RAM）都整合成单芯片（SYST
15、EM-ON-CHIP），以降低数字相机生产成本。CMOS传感器可分为：被动式画素传感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式画素传感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）。被动式画素传感器CMOS被动式画素传感器CMOS（Passive Pixel Sensor CMOS）是一种低成本、低耗电的传感器，但缺点是高噪声、高抗阻、低动态范围。被动式画素传感器的光谱反应频宽范围除了可见光之外，也可以对红外线反应，因此，可以被应用在安全监视器、汽车夜视装置等产品上 ，其架构如图2（左）所示。主动式画素传感器CMOS主动式画素传感器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）是最近新发展出来的CMOS传感器，它针对CMOS高噪声的缺点，在传感器的每一个画素上加上讯号转换回路，以放大讯号及读取讯号。因此，主动式画素传感器CMOS比被动式画素传感器CMOS有较好的画质、较低的噪声，如图2（右）所示，但是却增加CMOS传感器的复杂度（High Complexity），并且会降低传感器所能补捉的光线强度（Low Fill Factor）。一般而言，CCD传感器的F
