1、彩色 CCD 相机的 工作原理 10-11-2014 1 / 5 彩色 CCD 相机的工作原理 Jakit Zhang Jakit.ZhangTeledyneD Tel. +86 15920287768（ China） Document Revision 1.0: 24 Sep 2014 Copyright 2014, Teledyne DALSA Industrial Products, Inc., ALL RIGHTS RESERVED 彩色 CCD 相机的 工作原理 10-11-2014 2 / 5 彩色 CCD 相机工作原理 CCD 相机采用电荷耦合器件（ CCD）作为其感光元器件。
2、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，换言之， 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。那么采用 CCD 作为感光元件的彩色数字相机是如何生产彩色图像的？其图像存在哪些优缺点？ 我们 大概做一下简单介绍： 1、 单色相机 如图所示，物体在有光线照射到它时将会产生反射，这些反射光线进入镜头光圈照射在 CCD 芯片上，在各个单元中生成电子。 曝光结束后，这些电子被从 CCD 芯片中读出， 进行数模转换 并由
3、内部的微处理器初步处理。此时 微处理器输出的 结果 就是一幅数字图像了。 2、 3 CCD 芯片组成的 彩色相机 CCD 芯片 本身是无法根据波长，将电信号转换为颜色信息的。 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 上。这样 一 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，采用 3 个 CCD + 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
4、片也能输出各种彩色分量的相机。 3. 单 CCD 芯片 彩色相机 (1) 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彩色 CCD 相机的 工作原理 10-11-2014 3 / 5 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）提出，所以这种滤镜也被称作拜尔滤镜。 如图所示，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 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
5、息。接下来要对这些像素的值使用 “ 色彩空间插值法 ” 进行处理 ，使其每个像素具有彩色信息 。 如右图 图中左下角的 黄 色区域为例，插值 算 法可以发现该区域像素 红色和 绿色像素均含有大量电荷，但蓝色像素电荷数为零，所以可以计算出，这个 像素区域 实际上是黄色的。 如果以上图为例对 3 CCD 的成像结果与单 CCD + 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。但该结论仅对这幅图像成立！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 3 CCD 彩色相机生成的图片更加模糊，这
6、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 彩色相机使得 CCD 数字相机的价格大大降低，而且随着电子技术的发展，今天 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。 (2) 插值法介绍 我们将使用这张图片的原始数字图像介绍两种简单的插值处理算法。 临近像素复制法 填补缺失的色彩值的最简单方法就是从临近像素中获取色彩值。以拜尔滤镜中第二行第一个绿色像素为例，在源图像中该点实际是红色的，但经拜尔滤镜中绿色镜片过滤后，该点色值为零。我们只需要把临近红蓝像素中的红色与蓝色值复制到该像素中，就能获得其 RGB 值（ 255，0， 0）。 彩色 CCD 相
7、机的 工作原理 10-11-2014 4 / 5 这种插值法计 算出了正确的 RGB 值。但在实际应用当中，对于静止图像，这种简单的插值法所生成的结果是不可接受的。 一般 可以将其用于对图像质量要求不高的视频数据流中（例如 视频监控 ）。 临近像素均值法（双线性插值） 我们可以对 “ 复制插值法 ” 作出的最直接改进就是使用若干临近像素的均值。如下图所示，这种方法对于上例中的象素点，同样可以计算出正确的 RGB 值（ 255， 0， 0）。 针对图中第二个示例像素点的计算指出了均值法的一个重大缺陷：均值法有低通特性，并由此将清晰的边界钝化。如该点 RGB 值本应是（ 255， 0， 0），但计
8、算后变成了（ 255， 128， 64），即由红色变成了棕橙色。 3) 测量类应用 在以测量为目的的应用场合，色彩插值法存在以下重要缺点 ： a.每个像素都具有红、绿和蓝的色彩值，但这三个值中只有一个真正来自 CCD。其它两个值都由插值法计算而得，因此都是估算值。 b. 这些估算值不仅干扰测量过程本身，而且它 们都会给总线及计算机 CPU 增加不必要的负载。 举例说明 如图所示，源图像由色彩非常接近的两个区域组成。左半边像素的 RGB 值为（ 0，255， 128），右半边的像素值为（ 0， 255， 144）。如采用临近像素均值法进行插值处理，会得到红、绿、蓝三色的三幅图像（结果如下图）。
9、如彩色 CCD 相机的 工作原理 10-11-2014 5 / 5 图所示，红色图只有 64 个灰度级为 0 的值，而绿色图中只有 64 个灰度级为 255 的值。因此，这两幅图对于区分不同区域起不到任何作用。只有蓝色柱状图显示出了一个介于32 个 128 值与 24 个 144 值之间的 “ 谷 ” 。谷底的 8 个灰度级为 136 的值是色彩插值低通效应的结果，它证明了这一算法使得原本清晰的边界变得模糊。 如果我们基于原始图像进行分析，如图所示： 由三个柱状图可见，直接对数字原始图像进行柱状图分析有如下两点优势： a. 可以省去占总量三分之二的冗余信息。 b.由于没有使用插值处理，诸如边界模糊之类的干扰得以避免。 三幅柱状图再次表明红色和绿色图对于我们的分析没有意义，而蓝色柱状图则准确的反映了源图像的关系。 综上所述，在图像测量应用领域，我们不推荐对原始图像进行色彩插值处理，相反，把从 CCD 获得的电荷直接转换为数字原始图像、并对其进行分析有助于简化问题、提高效率。
