很(hen)(hen)多(duo)數字相機采(cai)用電(dian)(dian)荷耦合器件（CCD）作為其感光(guang)(guang)元器件。CCD 的(de)(de)原理很(hen)(hen)簡單(dan)：我們可(ke)以把它想象成一個(ge)沒有(you)(you)蓋子(zi)的(de)(de)芯片(pian)，上(shang)面整(zheng)齊地(di)排列著很(hen)(hen)多(duo)小的(de)(de)感光(guang)(guang)單(dan)元，光(guang)(guang)線中的(de)(de)光(guang)(guang)子(zi)撞擊(ji)每(mei)個(ge)單(dan)元后，在(zai)(zai)這些(xie)單(dan)元中會產生(sheng)電(dian)(dian)子(zi)（光(guang)(guang)電(dian)(dian)效應(ying)），而(er)且光(guang)(guang)子(zi)的(de)(de)數目與(yu)電(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)數目互成比例。但在(zai)(zai)這一過程中，光(guang)(guang)子(zi)的(de)(de)波長(chang)并沒有(you)(you)被轉換(huan)為任(ren)何形(xing)式的(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)號，換(huan)言之(zhi)，CCD 裸芯片(pian)實際上(shang)都沒有(you)(you)把色彩(cai)信(xin)息轉換(huan)為任(ren)何形(xing)式的(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)號。那么采(cai)用 CCD 作為感光(guang)(guang)元件的(de)(de)彩(cai)色數字相機是(shi)如何生(sheng)產彩(cai)色圖像的(de)(de)？其圖像存在(zai)(zai)哪些(xie)優缺點？本文將回(hui)答這個(ge)問(wen)題。

1. 單色相機

我們首先從(cong)相對簡單的黑白數字相機(ji)入(ru)手。

如(ru)圖(tu)所(suo)示，物(wu)體在(zai)有光(guang)線(xian)照射到它時將會產生反射，這些反射光(guang)線(xian)進入鏡頭光(guang)圈照射在(zai)CCD芯片上，在(zai)各個單元(yuan)中生成電(dian)子。

曝(pu)光結束后(hou)，這些電子被從 CCD 芯片中(zhong)讀出(chu)，并由相機內部的微處(chu)(chu)理(li)器進行初步處(chu)(chu)理(li)。此時由該微處(chu)(chu)理(li)器輸出(chu)的就是一(yi)幅數字圖像了(le)。

2. 3 CCD 彩色相機

 CCD 芯片(pian)按比例將一(yi)定(ding)數量的(de)光子轉換為一(yi)定(ding)數量的(de)電子，但光子的(de)波長，也就是(shi)光線的(de)顏(yan)色，卻沒有(you)在這一(yi)過(guo)程(cheng)中被轉換為任(ren)何形式的(de)電信號，因此 CCD 實際上是(shi)無法區分顏(yan)色的(de)。

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，如右圖所示。棱(leng)鏡將光線中的紅、綠、藍(lan)三個(ge)(ge)基本(ben)色(se)分開，使其分別投(tou)射在(zai)一(yi)個(ge)(ge) CCD 上。這(zhe)樣以(yi)來，每個(ge)(ge) CCD 就只(zhi)對一(yi)種基本(ben)色(se)分量感(gan)光。

這種(zhong)解決方案在實際應用(yong)中的(de)效(xiao)果(guo)非(fei)常好，但它的(de)最大缺點就在于，采用(yong)3個 CCD + 棱鏡的(de)搭(da)配(pei)必(bi)然導致價格昂貴。因(yin)此科(ke)研人員在很多年前就開(kai)始(shi)研發只(zhi)使用(yong)一(yi)個 CCD 芯片也能輸出各種(zhong)彩色分量(liang)的(de)相機。

3. 單 CCD 彩色相機

(1) 成像原理

如(ru)果在 CCD 表面覆蓋一個只含(han)紅綠(lv)藍三色的馬賽克濾鏡(jing)，再(zai)加上對其輸出信號的處(chu)理(li)算法，就可以實現一個 CCD 輸出彩色圖像數字信號。由于(yu)這個設計理(li)念最初由拜爾（Bayer）先生提出，所以這種濾鏡(jing)也被稱(cheng)作拜爾濾鏡(jing)。

如上圖所示，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(suo)以(yi)接(jie)下來(lai)要對(dui)這些像(xiang)素的值使用“色彩空間插值法(fa)”進行處(chu)理(li)。

以(yi)上(shang)圖中左下(xia)角(jiao)的(de)紅(hong)色(se)(se)(se)區(qu)域為例，我們需要的(de)是丟失了的(de)綠(lv)色(se)(se)(se)與(yu)(yu)藍(lan)(lan)色(se)(se)(se)的(de)值。而(er)插(cha)值法可(ke)以(yi)通過分析與(yu)(yu)這(zhe)個(ge)紅(hong)色(se)(se)(se)像(xiang)素(su)(su)相鄰(lin)的(de)像(xiang)素(su)(su)計(ji)算(suan)出(chu)這(zhe)兩個(ge)值。在這(zhe)個(ge)例子(zi)中，算(suan)法發現該(gai)區(qu)域像(xiang)素(su)(su)綠(lv)色(se)(se)(se)像(xiang)素(su)(su)均含有(you)大量電荷，但藍(lan)(lan)色(se)(se)(se)像(xiang)素(su)(su)電荷數為零，所(suo)以(yi)可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)，這(zhe)個(ge)紅(hong)色(se)(se)(se)像(xiang)素(su)(su)實際上(shang)是黃色(se)(se)(se)的(de)。

如果以上圖為例對3 CCD 的成像結果與單 CCD + 色彩插值處理后的結果進行比較，我們將發現所得圖片完全一致。但該結論僅對這幅圖像成立！因為這副圖片色彩對比簡單、邊界規則。而在實際應用中，即使最成熟的色彩插值算法也會在圖片中產生低通效應。所以，單 CCD 彩色相機生成的圖片比3 CCD 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 數字相(xiang)(xiang)機的(de)(de)價格(ge)大(da)大(da)降低，而且隨著電子技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)發展(zhan)，今天(tian) CCD 的(de)(de)質量(liang)都有了(le)驚(jing)人的(de)(de)進(jin)步，因此(ci)大(da)部分彩色數碼相(xiang)(xiang)機都采用了(le)這種技(ji)(ji)術(shu)(shu)。

(2) 成像類應用

在成像原理一節的講解過程中，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。現在，
我們將使用這張圖片的原始數字圖像介紹兩種簡單的插值處理算法。

(i) 臨近像素復制法
填補(bu)缺失(shi)的色彩(cai)值(zhi)的最(zui)簡(jian)單方法就是從(cong)臨(lin)近像素中獲取色彩(cai)值(zhi)。以拜爾濾鏡中第二(er)行第一個綠色像素為例，

在源圖像中(zhong)該點實際是紅(hong)色的(de)(de)，但經拜爾濾鏡中(zhong)綠色鏡片(pian)過濾后，該點色值為零(ling)。我們只需要把臨近(jin)紅(hong)藍像素中(zhong)的(de)(de)紅(hong)色與藍色值復制到該像素中(zhong)，就能獲得其(qi)RGB值（255，0，0）。

就此例而言，這種插值法(fa)計算(suan)出了正確(que)的(de)(de)RGB值。但在實際(ji)應用(yong)當(dang)中，對于靜止圖像，這種簡(jian)單的(de)(de)插值法(fa)所生(sheng)成的(de)(de)結果(guo)是不可接受的(de)(de)。但由于它算(suan)法(fa)簡(jian)單且不耗費多(duo)少(shao)時間，我們(men)可以將其(qi)用(yong)于對圖像質量(liang)要求不高的(de)(de)視(shi)(shi)頻數據流中（例如視(shi)(shi)頻預(yu)覽）。

(ii) 臨近像素均值法（雙線性插值）
我們可以對(dui)“復制插(cha)值法”作出(chu)的(de)最直接(jie)改進就是(shi)使用若干(gan)臨(lin)近像素的(de)均值。如下(xia)圖所示，這種方法對(dui)于上(shang)例中的(de)象素點，同(tong)樣可以計算出(chu)正確(que)的(de)RGB值（255，0，0）。

但針對圖中第二個示例(li)像素點的計算指出了(le)(le)(le)均值(zhi)法的一個重大缺陷：均值(zhi)法有低通特性，并由(you)此將(jiang)清晰的邊界鈍化。如該(gai)點 RGB 值(zhi)本應是(shi)（255，0，0），但計算后變成了(le)(le)(le)（255，128，64），即由(you)紅色(se)變成了(le)(le)(le)棕橙色(se)。

當然，今天大(da)部分(fen)數字(zi)相機的(de)(de)色彩(cai)插(cha)值(zhi)算法(fa)(fa)都要大(da)大(da)優于上(shang)面介紹的(de)(de)兩(liang)種基本(ben)算法(fa)(fa)，但是使用相機的(de)(de)現場(chang)工程師幾(ji)乎不大(da)可能(neng)調整或(huo)改變一款相機內(nei)置的(de)(de)色彩(cai)插(cha)值(zhi)算法(fa)(fa)。為(wei)了(le)提供(gong)給用戶更大(da)的(de)(de)靈活性，映(ying)美精 DBK 21F04, DBK 21AF04, DBK 21BF04, DBK 31AF03,DBK 31BF03, DBK 41AF02 及 DBK 41BF02 型號(hao)的(de)(de)1394 系列相機 與(yu) DBK21AU04, DBK 21BU04, DBK 31AU03, DBK 31BU03, DBK 41AU02 及 DBK 41BU02 型號(hao)的(de)(de)USB2.0 系列相機

都(dou)取(qu)消了色(se)彩插值計(ji)算(suan)，它們尤其適用(yong)于(yu)需要自(zi)行(xing)處理原始數據圖像的用(yong)戶。

3) 測量類應用

在以測量為目的的應用場合，色彩插值法存在以下重要缺點 ：
? 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。
? 這些估算值不僅干擾測量過程本身，而且它們都會給總線及計算機 CPU 增加不必(bi)要的負載。

舉例說明

如(ru)上(shang)圖(tu)所(suo)示(shi)，源圖(tu)像(xiang)由色彩非常接近的兩個區域組成。左半邊像(xiang)素的RGB值為（0，255，128），右半邊的像(xiang)素值為（0，255，144）。如(ru)采用臨近像(xiang)素均值法進行插值處理，會(hui)得到(dao)紅、綠、藍三色的三幅圖(tu)像(xiang)（結果如(ru)下圖(tu)）。

如圖(tu)所示(shi)，紅色圖(tu)只有64個(ge)灰度級(ji)為(wei)0的(de)(de)值(zhi)(zhi)，而綠色圖(tu)中只有64個(ge)灰度級(ji)為(wei)255的(de)(de)值(zhi)(zhi)。因(yin)此，這(zhe)兩(liang)幅圖(tu)對于(yu)區分不同區域起不到任(ren)何(he)作用(yong)。只有藍色柱狀(zhuang)圖(tu)顯示(shi)出了一個(ge)介于(yu)32個(ge)128值(zhi)(zhi)與24個(ge)144值(zhi)(zhi)之間的(de)(de)“谷”。谷底的(de)(de)8個(ge)灰度級(ji)為(wei)136的(de)(de)值(zhi)(zhi)是色彩插值(zhi)(zhi)低通效應的(de)(de)結果，它證明了這(zhe)一算法使得原本(ben)清晰的(de)(de)邊界變得模糊(hu)。

如(ru)果(guo)我(wo)們基于原始圖像進行(xing)分析，如(ru)下圖所示(shi)：

由上面三個柱狀圖可見，直接對數字原始圖像進行柱狀圖分析有如下兩點優勢：
? 可以省去占總量三分之二的冗余信息。
? 由于沒有使用插值處理，諸如邊界模糊之類的干擾得以避免。
三(san)幅柱狀圖(tu)再次表(biao)明(ming)紅色(se)和綠色(se)圖(tu)對(dui)于我(wo)們的(de)分析沒有意義，而藍色(se)柱狀圖(tu)則準確的(de)反映了源圖(tu)像的(de)關(guan)系。

綜上所述，在(zai)圖(tu)(tu)像測量應用領域，我們不(bu)推薦對原始(shi)圖(tu)(tu)像進行色彩插值處理，相(xiang)反(fan)，把從(cong)CCD獲得的電(dian)荷直(zhi)接轉(zhuan)換為數字原始(shi)圖(tu)(tu)像、并對其進行分(fen)析有助(zhu)于簡(jian)化問題(ti)、提高效(xiao)率。

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