很多數(shù)字相機(jī)采用電荷耦合器件（CCD）作為其感光元器件。CCD 的原理很簡(jiǎn)單：我們可以把它想象成一個(gè)沒有蓋子的芯片，上面整齊地排列著很多小的感光單元，光線中的光子撞擊每個(gè)單元后，在這些單元中會(huì)產(chǎn)生電子（光電效應(yīng)），而且光子的數(shù)目與電子的數(shù)目互成比例。但在這一過程中，光子的波長(zhǎng)并沒有被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號(hào)，換言之，CCD 裸芯片實(shí)際上都沒有把色彩信息轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號(hào)。那么采用 CCD 作為感光元件的彩色數(shù)字相機(jī)是如何生產(chǎn)彩色圖像的？其圖像存在哪些優(yōu)缺點(diǎn)？本文將回答這個(gè)問題。
1. 單色相機(jī)
我們首先從相對(duì)簡(jiǎn)單的黑白數(shù)字相機(jī)入手。
如圖所示，物體在有光線照射到它時(shí)將會(huì)產(chǎn)生反射，這些反射光線進(jìn)入鏡頭光圈照射在CCD芯片上，在各個(gè)單元中生成電子。
曝光結(jié)束后，這些電子被從 CCD 芯片中讀出，并由相機(jī)內(nèi)部的微處理器進(jìn)行初步處理。此時(shí)由該微處理器輸出的就是一幅數(shù)字圖像了。
2. 3 CCD 彩色相機(jī)
CCD 芯片按比例將一定數(shù)量的光子轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的電子，但光子的波長(zhǎng)，也就是光線的顏色，卻沒有在這一過程中被轉(zhuǎn)換為任何形式的電信號(hào)，因此 CCD 實(shí)際上是無法區(qū)分顏色的。
在這種情況下，如果我們希望使用 CCD 作為相機(jī)感光芯片，并輸出紅、綠、藍(lán)三色分量，就可以采用一個(gè)分光棱鏡和三個(gè) CCD，如圖所示。棱鏡將光線中的紅、綠、藍(lán)三個(gè)基本色分開，使其分別投射在一個(gè) CCD 上。這樣以來，每個(gè) CCD 就只對(duì)一種基本色分量感光。
這種解決方案在實(shí)際應(yīng)用中的效果非常好，但它的最大缺點(diǎn)就在于，采用3個(gè) CCD + 棱鏡的搭配必然導(dǎo)致價(jià)格昂貴。因此科研人員在很多年前就開始研發(fā)只使用一個(gè) CCD 芯片也能輸出各種彩色分量的相機(jī)。
3. 單 CCD 彩色相機(jī)
(1) 成像原理
如果在 CCD 表面覆蓋一個(gè)只含紅綠藍(lán)三色的馬賽克濾鏡，再加上對(duì)其輸出信號(hào)的處理算法，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè) CCD 輸出彩色圖像數(shù)字信號(hào)。由于這個(gè)設(shè)計(jì)理念最初由拜爾（Bayer）先生提出，所以這種濾鏡也被稱作拜爾濾鏡。
如上圖所示，該濾鏡的色彩搭配形式為：一行使用藍(lán)綠元素，下一行使用紅綠元素，如此交替；換言之，CCD 中每4個(gè)像素中有2個(gè)對(duì)綠色分量感光，另外兩個(gè)像素中，一個(gè)對(duì)藍(lán)色感光、一個(gè)對(duì)綠色感光。從而使得每個(gè)像素只含有紅、綠、藍(lán)三色中一種的信息，但我們希望的是每個(gè)像素都含有這三種顏色的信息。
所以接下來要對(duì)這些像素的值使用“色彩空間插值法”進(jìn)行處理。
以上圖中左下角的紅色區(qū)域?yàn)槔覀冃枰氖莵G失了的綠色與藍(lán)色的值。而插值法可以通過分析與這個(gè)紅色像素相鄰的像素計(jì)算出這兩個(gè)值。在這個(gè)例子中，算法發(fā)現(xiàn)該區(qū)域像素綠色像素均含有大量電荷，但藍(lán)色像素電荷數(shù)為零，所以可以計(jì)算出，這個(gè)紅色像素實(shí)際上是黃色的。
如果以上圖為例對(duì)3 CCD 的成像結(jié)果與單 CCD + 色彩插值處理后的結(jié)果進(jìn)行比較，我們將發(fā)現(xiàn)所得圖片完全一致。但該結(jié)論僅對(duì)這幅圖像成立！因?yàn)檫@副圖片色彩對(duì)比簡(jiǎn)單、邊界規(guī)則。而在實(shí)際應(yīng)用中，即使最成熟的色彩插值算法也會(huì)在圖片中產(chǎn)生低通效應(yīng)。所以，單 CCD 彩色相機(jī)生成的圖片比3 CCD 彩色相機(jī)生成的圖片更加模糊，這點(diǎn)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(jī)使得CCD 數(shù)字相機(jī)的價(jià)格大大降低，而且隨著電子技術(shù)的發(fā)展，今天 CCD 的質(zhì)量都有了驚人的進(jìn)步，因此大部分彩色數(shù)碼相機(jī)都采用了這種技術(shù)。
(2) 成像類應(yīng)用
在成像原理一節(jié)的講解過程中，我們使用的是把一幅圖片中的紅、綠、藍(lán)三色分離而得的三副圖片。現(xiàn)在，我們將使用這張圖片的原始數(shù)字圖像介紹兩種簡(jiǎn)單的插值處理算法。
(i) 臨近像素復(fù)制法
填補(bǔ)缺失的色彩值的最簡(jiǎn)單方法就是從臨近像素中獲取色彩值。以拜爾濾鏡中第二行第一個(gè)綠色像素為例，在源圖像中該點(diǎn)實(shí)際是紅色的，但經(jīng)拜爾濾鏡中綠色鏡片過濾后，該點(diǎn)色值為零。我們只需要把臨近紅藍(lán)像素中的紅色與藍(lán)色值復(fù)制到該像素中，就能獲得其RGB值（255，0，0）。
就此例而言，這種插值法計(jì)算出了正確的RGB值。但在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)于靜止圖像，這種簡(jiǎn)單的插值法所生成的結(jié)果是不可接受的。但由于它算法簡(jiǎn)單且不耗費(fèi)多少時(shí)間，我們可以將其用于對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的視頻數(shù)據(jù)流中（例如視頻預(yù)覽）。
(ii) 臨近像素均值法（雙線性插值）
我們可以對(duì)“復(fù)制插值法”作出的最直接改進(jìn)就是使用若干臨近像素的均值。如下圖所示，這種方法對(duì)于上例中的象素點(diǎn)，同樣可以計(jì)算出正確的RGB值（255，0，0）。
但針對(duì)圖中第二個(gè)示例像素點(diǎn)的計(jì)算指出了均值法的一個(gè)重大缺陷：均值法有低通特性，并由此將清晰的邊界鈍化。如該點(diǎn) RGB 值本應(yīng)是（255，0，0），但計(jì)算后變成了（255，128，64），即由紅色變成了棕橙色。
當(dāng)然，今天大部分?jǐn)?shù)字相機(jī)的色彩插值算法都要大大優(yōu)于上面介紹的兩種基本算法，但是使用相機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工程師幾乎不大可能調(diào)整或改變一款相機(jī)內(nèi)置的色彩插值算法。為了提供給用戶更大的靈活性，映美精
DBK 21F04, DBK 21AF04, DBK 21BF04, DBK 31AF03, DBK 31BF03, DBK 41AF02 及 DBK 41BF02 型號(hào)的1394 系列相機(jī) 與 DBK 21AU04, DBK 21BU04, DBK 31AU03, DBK 31BU03, DBK 41AU02 及 DBK 41BU02 型號(hào)的USB2.0 系列相機(jī)都取消了色彩插值計(jì)算，它們尤其適用于需要自行處理原始數(shù)據(jù)圖像的用戶。
3) 測(cè)量類應(yīng)用
在以測(cè)量為目的的應(yīng)用場(chǎng)合，色彩插值法存在以下重要缺點(diǎn) ：
? 每個(gè)像素都具有紅、綠和藍(lán)的色彩值，但這三個(gè)值中只有一個(gè)真正來自CCD。其它兩個(gè)值都由插值法計(jì)算而得，因此都是估算值。
? 這些估算值不僅干擾測(cè)量過程本身，而且它們都會(huì)給
總線及計(jì)算機(jī) CPU 增加不必要的負(fù)載。
舉例說明
如上圖所示，源圖像由色彩非常接近的兩個(gè)區(qū)域組成。左半邊像素的RGB值為（0，255，128），右半邊的像素值為（0，255，144）。如采用臨近像素均值法進(jìn)行插值處理，會(huì)得到紅、綠、藍(lán)三色的三幅圖像（結(jié)果如下圖）。
如圖所示，紅色圖只有64個(gè)灰度級(jí)為0的值，而綠色圖中只有64個(gè)灰度級(jí)為255的值。因此，這兩幅圖對(duì)于區(qū)分不同區(qū)域起不到任何作用。只有藍(lán)色柱狀圖顯示出了一個(gè)介于32個(gè)128值與24個(gè)144值之間的“谷”。谷底的8個(gè)灰度級(jí)為136的值是色彩插值低通效應(yīng)的結(jié)果，它證明了這一算法使得原本清晰的邊界變得模糊。
如果我們基于原始圖像進(jìn)行分析，如下圖所示：
由上面三個(gè)柱狀圖可見，直接對(duì)數(shù)字原始圖像進(jìn)行柱狀圖分析有如下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
? 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。
三幅柱狀圖再次表明紅色和綠色圖對(duì)于我們的分析沒有意義，而藍(lán)色柱狀圖則準(zhǔn)確的反映了源圖像的關(guān)系。
綜上所述，在圖像測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，我們不推薦對(duì)原始圖像進(jìn)行色彩插值處理，相反，把從CCD獲得的電荷直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字原始圖像、并對(duì)其進(jìn)行分析有助于簡(jiǎn)化問題、提高效率。
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