彩色相机成像原理.doc

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1、彩色相机成像原理工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。我们首先从相对简单的黑白数字相机入手。如下图所示，物体在有光线照射到它表面时将会产生反射，这些反射光线进入镜头光圈照射在CCD芯片上，在感应元件产生对应的电荷，电流大小与光强对应。曝光结束后，这些电荷被读出，并由相机内部的微处理器进行初步处理，存储到存储介质当中，此时由该微处

2、理器输出的就是一幅数字图像了。CCD彩色成像原理CCD芯片按比例将一定数量的光子转换为一定数量的电子，但光子的波长，也就是光线的颜色，却没有在这一过程中被转换为任何形式的电信号，因此CCD实际上是无法区分颜色的。在这种情况下，如果我们希望使用CCD作为相机感光芯片，并输出红、绿、蓝三色分量，就可以采用一个分光棱镜和三个CCD，如下图所示。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芯片上。这样以来，每个CCD就只对一种基本色分量感光。这种解决方案在实际应用中的效果非常好，但它的最大缺点就在于，

3、采用3个CCD和棱镜的搭配必然导致价格昂贵。因此科研人员在很多年前就开始研发只使用一个CCD芯片也能输出各种彩色分量的相机。三棱镜方式：为了获取光线的颜色信息，可以使用三棱镜将光束分成单色光，然后分别成像，三棱镜方式就是这个原理。它从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。滤光片方式：由于每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，且只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。最常用的做

4、法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的主要原因是人眼对绿色较为敏感。单CCD彩色成像原理如果在CCD表面覆盖一个只含红绿蓝三色的马赛克滤镜，再加上对其输出信号的处理算法，就可以实现一个 CCD 输出彩色图像数字信号。由于这个设计理念最初由拜尔（Bayer）先生提出，所以这种滤镜也被称作拜尔滤镜。如上图所示，该滤镜的色彩搭配形式为：一行使用蓝绿元素，下一行使用红绿元素，如此交替；换言之，CCD中每4

5、个像素中有2个对绿色分量感光，另外两个像素中，一个对蓝色感光、一个对绿色感光。从而使得每个像素只含有红、绿、蓝三色中一种的信息，但我们希望的是每个像素都含有这三种颜色的信息。所以接下来要对这些像素的值使用“色彩空间插值法”进行处理。以上图左下角的红色区域为例，我们需要的是丢失了的绿色与蓝色的值。而插值法可以通过分析与这个红色像素相邻的像素计算出这两个值。  在这个例子中，算法发现该区域像素总绿色像素均含有大量电荷，但蓝色像素所含电荷数为零，所以可以计算出，这个红色像素实际上是黄色的。如果对3CCD的成像结果与单C

6、CD+色彩插值处理后的结果进行比较，我们将发现所得图片完全一致。但该结论仅对当前的图像成立！因为这副图片色彩对比简单、边界规则。而在实际应用中，即使最成熟的色彩插值算法也会在图片中产生低通效应。所以，单 CCD彩色相机生成的图片比3CCD彩色相机生成的图片更加模糊，这点在图像中有超薄或纤维形物体的情况下尤为明显。但是，单CCD彩色相机使CCD数字相机的价格大大降低，而且随着电子技术的高速发展，CCD的质量都有了惊人的进步，因此大部分彩色数码相机都采用了这种技术。上海嘉肯光电科技有限公司经过近十年的发展和技术积累，

7、现公司的视觉光源包括：条形光源、环形光源、同轴光源、线扫描光源、散射型环形光源、散射型方形光源、背光源、开孔面光源、四面可调光源、球积分光源、点光源、平行光源、平面无影光源等十余个大系列，另有上百种的定制化。非标光源，几乎覆盖了检测行业对光源的应用和需求。此外，公司还代理工业镜头、工业相机、图像采集卡、图像处理软件和各类视觉附件，主要包括：   工业镜头：Computar、Fujinon、Navitar、Kowa、   工业相机：Basler、JAI、   图像采集卡：Coreco、Matrox、Euresys 

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