数码成像原理.

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1、数码成像原理 第五章 1 内容导航 5.1 引言 5.2 数码相机的特点 5.3 数码相机的分类 5.4 数码相机的技术指标 5.5 数码相机的新功能 5.6 数码相机的系统结构 2 5.1 引言 二十世纪八十年代中后期，快速、便捷的数字成像手段 ，顺应了时代的潮流，得到前所未有的发展。 技术推动：微电子技术的快速发展、电子计算机的普及、互 联网（移动互联网）用户的膨胀 应用需求：报刊、杂志；Internet互联网、家 庭 3 5.1 引言 光电器件记 录亮度分布 ，并以电荷 形式存储 并行 、串 行电 荷扫 描 模拟 信号 放大 模数 转换 数字 图像 液晶、存储 卡、计算机 客观 景物 光

2、学 成像 系统 DSP处理 和压缩 数码成像的基本流程 光电子成像方式 4 5.2 数码相机的特点 1. 瞬时显示摄影效果： 节省时间； 提高成片率 2.允许重拍：影像记录介质可读、可写、可重复使用 3. 更好的曝光控制：电子快门速度更快，可达微秒量级， 适合高照度环境拍摄；较大的相对孔径和较高的光电灵敏度 （有的器件具有相当于胶片灵敏度ISO1600的感光水平），使 得低照条件摄影不成问题。 4. 色彩更趋饱和：常规彩色胶片和相纸存在“有害吸收” ；而数码相机通过CFA分别记录红、绿、蓝光，而且还可以通 过影像增强，颜色曲线校正来避免“有害吸收”。 5 5.2 数码相机的特点 传统相机拍 摄

3、效果 数码相机拍 摄效果 6 5.2 数码相机的特点 5. 便于图像特技处理：可以利用图像处理软件进行诸如 对比度校正、曝光校正、色彩重建和多图像合成等，另外还 可以校正像差。 处理后 处理前 7 5.2 数码相机的特点 6. 便捷的图像通信： Email，Internet, 卫星与地面工 作站，视频聊天，视频会议 7. 准确复制和长期保存 ：传统光化学底片和照片会发生 褪色，数码照片不褪色，不损坏。 8. 节省时间和空间 ：一台电脑，一张桌子即可。 9. 绿色环保，没有化学污染 8 5.3 数码相机的分类 5.3.1 按照感光器件分 CCD芯片 CMOS芯片 u CCD（Charge-Cou

4、pled Device） 指电荷耦合型光电器件，是用集成电路工 艺制成的成像光电器件。CCD器件由微型光 电二极管以电荷包形式记录光强分布，然后 通过电荷的逐个转移依次读出每个像素上的 电荷量。 u CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconducter) 指互补型金属氧化物半导体光电器件，由MOS芯片上的微型 光电管阵列记录图像的光强分布，并由CMOS开关阵列控制每 个像素电荷的读取，由行开关和列开关坐标决定被选中的像素 ，从而通过闭合的开关输出电荷信号。 9 5.3 数码相机的分类 5.3.2 按照图像接收器件的形式分 u 面阵型 感光面积大（正方形或

5、长方形），有1/3英寸，1/2英寸， 2/3英寸和1英寸几种规格，1英寸2.54cm。一次曝光，摄影 速度快，适于运动物体拍摄和闪光拍摄，但是制造困难。 u 扫描型 感光芯片长而窄，由微小光敏单元均匀排成一列，在CCD 移动过程中一行一行扫描“拍摄”景物，靠跨越影像平面的扫 描来俘获二维影像区。特点是分辨率高，曝光时间长，光机 结构复杂，不适于运动物体和闪光拍摄。 10 5.3 数码相机的分类 5.3.3 按照俘获方式分 u 单次俘获型 一次曝光记录彩色影像，绝大多数数码相机采用单次俘获方 式。有单CCD和3CCD两种形式。 3CCD型较单CCD型具有更 好的影像轮廓图形，其像素水平相当于单C

6、CD的3倍。但是， 叠加处理不好会导致影像模糊。 单次单CCD型 单CCD型用在每个像素上贴极 薄的染料滤色片阵列（CFA）构 成彩色成像传感器，各像素俘获 每种颜色的影像数据后，再合成 彩色影像。 11 5.3 数码相机的分类 单次3CCD型 3CCD影像传感器用3块二维成像 器件俘获被彩色分光棱镜分色的不 同波长的影像，而后通过计算机软 件将不同波长的影像结合产生彩色 影像。 u 三次俘获型 红、绿、蓝旋转滤色镜放置 在镜头或面阵成像器件前面， 需要3次各不相同的曝光，每 次曝光时接收穿过不同颜色滤 色镜的光线。分辨率高，色再 现性好，像素密度高。由于振 动会发生套色不准，不适合运 动物体

7、拍摄。 分 光 滤 色 系 统 12 5.3 数码相机的分类 5.3.4 按照能否独立使用分 u 脱机型 有自己的影像存储媒体（内置式存储媒体或可移动式存储媒 体），能作为独立的单元使用。便于携带，户外拍摄方便。 u 联机型 数码相机必须与计算机相连才能使用，主要用于户内拍摄， 如影楼室内拍摄、身份证拍摄等。结构简单，价格低。 13 5.3 数码相机的分类 5.3.5 按照光机结构分 u 单反型 在35mm单反相机的机体上加上CCD成像器件、信号放大、 模数转换、图像压缩与存储等相关部件组成的一个整体系统 ，机身更高或更厚。 u 轻便型 结构紧凑，小巧轻便，外形各异，镜头不可卸，广泛用于桌 面

8、印刷、多媒体、保安和制证等，讲究性价比，成像效果较 数码单反相机要低。 u 数码机背 用于中幅相机和大型相机，可方便地将现有中幅相机数字 化。数字拍摄与传统拍摄方式易互换，多用于要求较高的商 业摄影和广告摄影。 14 5.3 数码相机的分类 5.3.6 按照摄影功能分 只具有拍摄静态画面的功能，由于图像读取、处理与存储时 间充足，往往具有较高的分辨率。 静态、连续画面，电视会议，有些可以同时具有数字成像和 传统胶卷成像。 u 单功能型 u 多功能型 15 5.3 数码相机的分类 5.3.7 按照接口方式分 采用通用串行总线架构接口。 USB为树状拓扑结构，最多可 以分为5层，连接127个外部设

9、备。其用意是计算机外围设备连 接标准化、单一化，下载速率可达1.5Mbit/s和12Mbit/s，具有 软件自动侦察和热插拔功能。 u USB数码相机 注：USB （Universal Serial Bus）由Intel公司提出，由 Intel，IBM，Microsoft，NEC等公司于1994年11月共同制定的 计算机周边设备连接标准。 16 5.3 数码相机的分类 采用通用的并行接口，初期占统治地位，发展前景黯淡。 采用周边元件互连接口作为与计算机相连的接口。PCI插槽 支持7种外围设备，并支持32位和64位的数据传输。PCI接口 性能好，相机要贵一些。 u PP数码相机（Parallel

10、 Port） u PCI数码相机（Peripheral Component Interconnect） 17 5.4 数码相机的技术指标 5.4.1. 成像器件像素水平 数码相机的像素数与其分辨率有密切的关系。一般将像素 指标用于评价CCD/CMOS的性能（只有一个），而将分辨率 指标用于评价数码图片的拍照质量（多个）。 根据像素水平，可以分为几个档次： VGA：30万（640480）； XGA：80万（1024768）； MegaPixel：百万以上（12801024）。 18 5.4 数码相机的技术指标 5.4.2 镜头性能 评价镜头质量需要考虑其像差校正水平和制造精度。 l 镜头的色贡献

11、指数是否较好地保证图像的色彩还原。 l 镜头的渐晕系数是否明显影响到像面照度的均匀性。 l 考虑光学弥散圆的控制是否与成像器件的像素很好地匹配。 l 相对孔径用光圈数F来表达：F数越小，镜头的相对孔径越 大，越有利于在照明不佳的条件下实现成像器件的正确曝光 。 l 光学变焦的范围越宽，越能在各种环境中进行拍摄。一般 变焦数码相机光学变焦能力在24倍之间，高的可达812倍 。 19 5.4 数码相机的技术指标 5.4.3 模数转换精度 模数转换器件用于将光电成像器件生成的模拟电信号转换 为计算机可以识别的数字信号。它的性能的好坏直接影响数码 相机的照片质量和数码相机的功能。 一般用转换速度和量化

12、精度衡量模数转换的优劣。 l 转换速度：指每秒钟A/D集成电路可以实现的将模拟量转 换为数字量的次数，它决定数码相机拍照时的处理速度（最 短曝光间隔时间）。 l 量化精度：指每次量化可以达到的离散电压等级，其大小直 接影响数码图像的亮度和色彩表现。（16位，24位，36位） 20 实现图像压缩。高压缩比可以节省数码相机的存 储空间，快的压缩速度可以提高相机的连拍速度。 5.4.4 DSP能力 对成像器件上获取的数字图像信号进行处理与完善 工作。比如黑色补偿、光照度补偿，缺陷像素修补等 。 从获取的数字图像中提取曝光量信息和对焦信息 并实时反馈，控制成像物镜和快门，实现自动对焦 和自动曝光。 5

13、.4 数码相机的技术指标 21 5.4 数码相机的技术指标 5.4.5 取景系统 l 平视取景：结构简单，取景器光轴与镜头光轴不重合，不 仅存在位置误差，也存在大小误差。 l 镜头取景(TTL)：取景光轴与成像光轴重合，取景误差小。 u LCD（Liquid Crystal Display）取景 利用液晶显示屏显示由光电器件接收并经DSP预处理的图像 。取景视场精度高，所见即所得。目前还存在跟踪速度不高 ，对比度差，视角范围窄等缺点。 u 光学取景 22 5.4 数码相机的技术指标 数码相机中的存储器用于保存图像，其性能表现在存储容 量，数据交换能力和可更换性方面，结构类型可以是芯片和 磁性材

14、料，具体可以分为内存卡和可移动式存储卡。 5.4.6 图像存储 5.4.7 耗电量 由于成像光电器件、DSP图像处理器件、液晶显示等部件 工作时均需大量耗电，所以，数码相机的耗电量较传统照相 机要大十几倍之多。 23 5.5 数码相机的新功能 1. 声音备忘录：以MPEG文件格式保存，更具声色。 2. 间歇定时拍摄功能 3. MPEG数码视频功能 4. 浮动水印设定：在拍摄画面添加拍摄印记，保护版权。 5. 数码相机间的影像复制。 6. 定向感应。 7. 直接打印。 8. 显微拍摄：专业科研应用。 9. 全景功能和全景拼接功能。 10. windows图形操作界面 24 5.5 数码相机的新功

15、能 25 5.6 数码相机的系统结构 26 5.6 数码相机的系统结构 5.6.1 光学系统结构 光学系统是数码相机接收客 观景物信息的眼睛，是决定照相 机成像质量的关键之一。 其功能与传统相机的光学系统 基本一致：成像光学镜头将外界 景物成实像于光电器件上，光学 取景器将外界景物成虚像于人眼 的明视距离。 27 5.6 数码相机的系统结构 u 成像分辨率 数码成像 系统的分 辨率 成像光学系统的分辨率 光电成像器件的分辨率 电子电路的分辨率 成像光学系统的分辨率：光学弥散圆的大小，对焦物平面前、 后的点在像平面上呈现的模糊圆，小于人眼分辨率，由光学像 差或光学衍射引起。 光电成像器件的分辨率

16、：光电器件像素大小，由制作工艺和光 电灵敏度决定。 28 数码成像分辨率的定性描述 像素面积大于光学弥散圆，数码成像分辨率主 要由像素面积决定。常见于孔径较大的情况。 Case I Case II 光学弥散圆大于像素面积，数码成像分辨率 主要由光学弥散圆决定。常见于孔径较小的情 况。 5.6 数码相机的系统结构 29 数码成像分辨率的定量描述 假定：系统的综合分辨率可以用等效分辨长度Re来表示，而 Re与调制传递函数的平方成反比： （5-1） 式中，u是空间频率（线对/mm）。可见，当 MTFsys（u）时 ，Re，系统的分辨能力提高。 5.6 数码相机的系统结构 30 5.6 数码相机的系统结构 令R0为光学分辨长度，在不考虑光学像差的情况下，可以 近似表示为： （5-2）