电视原理 第3章 彩色电视摄像原理

电视原理第三章彩色电视摄像原理石东新sdx@cuc.edu.cn1CUC2CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008黑白图像的采集和重现是借助于电视摄像器件和电电视摄像器件视显示器件实现的。电视摄像器件的发展历史，三代产品：电视摄像器件的任务－光电转换：（1）基于光敏材料外光电效应的摄像器件（1）完成光/电转换图像－－利用光敏材料的光电效应，将聚焦在光敏面上的光（2）基于光敏材料内光电效应的摄像器件图像变为电图像；（3）基于半导体集成电路技术的固体摄像器件-----CCD。（2）将电图像变换成相应的电信号－－ChargeCoupledDevice－－电荷耦合器件依靠电子束的行场扫描或通过电荷转移的方法将电图像变换成相应的电信号输出。电视显示器件的作用是：完成电光转换，并最终把电视信号在荧光屏上重现出电视图像。3CUC4CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008第一节CCD固体摄像器件1、CCD属于MOS（金属-氧化物-半导体）器件。关于半导体半导体有两种载流子：自由电子（形成电子电流）和空穴（形成空穴电流）。半导体有两种类型：如硅单晶掺入磷、锑五价元素（自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子）----n型半导体；如硅单晶渗入硼三价元素（自由电子为少数载流子，空穴为多数载流子）----p型半导体。5CUC6CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20081硅单晶掺入磷、锑五价元素2、CCD固体摄像器件工作原理™CCD摄像器件的基本结构自由电子为多数载流子在具有光敏特性的P型半导体硅衬底上生长一层约空穴为少数载流子100nm的SiO2绝缘层，其上按一定排列方式沉积一组（几十万个）金属铝电极,构成金属-氧化物-半导体（MOS）结构的有序排列。每个电极为一个CCD单元。当电极加正电压时，便在电极下面的衬底内形成耗尽层（没有空穴的带负电荷的区域）。硅单晶渗入硼、镓、铟三价元素空穴为多数载流子p型半导体----自由电子为少数自由电子为少数载流子载流子，空穴为多数载流子。7CUC8CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008™电子势阱CCD工作原理栅极电压越高，耗尽层越厚。耗尽层达到一定的深度，形成可吸收电子的势阱，称为电子势阱。9CUC10CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008™电子势阱内可存储外来（如通过光注入，衬底产生3、信号电荷的注入---电图像形成电子-空穴对）电子电荷----称为电荷包。在CCD摄像器件感光面中，有序排列着几十万栅极电压越高，电子势阱越深，可存储的电荷越多。个电极（相当于有几十万个像素），每个电极下但电荷包的大小只和外来的进光量有关。都有一个相同深度的电子势阱。当景物成像在感进光量由光照时间和光照强度共同决定。光面时，每个电极对应的衬底在光激发下，出现数量和光强度成正比的电子-空穴对。多数载流子---空穴被排挤走，少数载流子---电子注入势阱，形成电荷包。实现光电转换，形成几十万个电荷包，得到电图像。11CUC12CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20082说明：ƒ每个电荷包读出的时间很短，一场读一次。在前后两次读出的间隔（约20ms）期间，电荷包的电荷量一直在积累，提高了灵敏度。ƒ光的照射方法有两种：前入射（只能由电极缝隙射入---效率30%），背面入射（要求衬底很薄，10微米，以便在可见光范围内，都有良好的光电响应特性—效率50%以上）。13CUC14CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20084、信号电荷的转移前照式:光从正面照射芯片形成电荷背照式:光从背面通过并直接进入光子效率可达到80%15CUC16CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008电荷包的转移方法：™三相时钟驱动加深相邻势阱的深度，使电荷向相邻势阱转移。相邻势阱每三个为一组（为一个像素），三个势阱分别加三相时钟V1、V2、V3。相位各差120°。1234为实现定向电荷转移，有三相、二相、四相时钟实现双向转移。驱动三种方式。17CUC18CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20083•电荷转移原理°™二相时钟驱动由相位差180两个时钟驱动•CCD单元的结构：每个像素有两个电极，每个电极有两个厚度不同的绝缘层，在同一电压下，厚的势阱浅，薄的势阱深。优点：时钟脉冲简单、电荷包转移速度快。缺点：势阱中存储电荷少（浅势阱无电荷）、不能双向转移。19CUC20CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008™四相时钟驱动•实现隔行扫描的方法一片CCD光敏器件上有577行（比有效扫描行数575多两行）。5、信号电荷的输出一场读一次。奇数场是将1、2行合并为第一行输出，3、4行电荷包转移的目的是要按顺序以电流或电压的形式输合并为第二行输出------（共288行）；偶数场是将2、3行合并为出，形成图像信号。第一行输出，4、5行合并为第二行输出----（共288行）。四相时①输出电路的构成：钟驱动适用于垂直方向的隔行读出。由输出栅极（OG）和反偏置的二极管构成。二极管由在P-衬底注入材料（如：磷）形成n型半导体。OG加的电压为时钟高低电平的平均值。21CUC22CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008②输出过程：2、CCD摄像器件（面阵）i.每个像素的电荷包到达三种结构：V3前，K给一高电平，连同行间转移式（IT）、帧间转移式（FT）、帧行间转移式V＋放掉电容器上存储的电荷，（FIT）然后断开；（1）行间转移式（IT）ii.当每个像素的电荷包到达V3后，在V3变低电位时，结构：电荷包很快经输出栅极势阱，每一列的感光单元的输出低电平（负脉冲），负右侧有遮光的垂直移位脉冲幅度和像素的电荷量---光有关。寄存器，最后一行下面有遮光的水平移位寄存器。23CUC24CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20084优点：结构简单。工作过程：缺点：每个感光单元积累光•垂直分解力差---因为倾斜光线漏电荷，形成电荷包；进垂直移位寄存器，而垂直转移场消隐期间，时间长，要一场时间（约19ms），如果画面上有亮点，用1us时间将电荷包会有垂直拖道；转移到垂直移位寄存器；•灵敏度低（器件的开口率同时，在场正程，每个只有40%）。行消隐期间，每个垂直移位寄存器的电荷包，在时钟脉冲驱动下，逐行移入水平移位寄存器。在行正程期间，水平移位寄存器在时钟脉冲控制说明：下输出图像信号。为防止“开花”，在各感光单元左侧有溢流控制门和溢流阱（溢流沟道），用来吸收图像过亮部分势阱中溢出的电子。垂直移位寄存器采用四相时钟驱动，水平移位寄存器采用二相25CUC26CUC•信息工程学院•石东新2008时钟驱动。•信息工程学院•石东新2008（2）帧转移（FT）式CCD摄像器件工作原理：结构：分三部分在场正程，成像部分（感光部分）、存储部分（遮光的）、成像部分进行光电荷读出寄存器（水平移位寄存器，遮光的）。积累，每个像素形成（将行间转移式的垂直移位寄存器移到下面）电荷包。场消隐，电荷包迅速（约20微秒）向下移入存储部分。存储部分和行间转移（IT）CCD的垂直移位寄存器相同，进入水平移位寄存器的方式也和IT相同，最后读出信号。27CUC28CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008（3）帧行间转移（FIT）方式CCD摄像器件结构：是行间转移和帧转移的结合。优点：分解力高---成像部分电极结构简单，感光单元密。缺点：（1）器件总面积大；（2）要有机械快门（场消隐期间用叶片挡住光）才能防止出现垂直拖道（因为场消隐期间在成像部分转移电荷包的时间长，如果有光照射成像部分会在垂直方向上造成模糊）；故整体机构复杂。29CUC30CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20085工作原理：特点：在场消隐期间，由于电荷包转移迅速（1微秒），勿需机感光区的电荷械快门，另外，从垂直移位寄存器转移到存储部包瞬间（1微分时，不象那样在场正程一行一行慢慢转移秒）转移到垂IT直移位寄存器，（19ms），而是在场消隐很快的转移（20微秒）然后又很快垂直拖道比IT小得多(1/1000)。（20微秒）转性能最佳,但 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 复杂，价格高。移到存储部分。在场正程，感光区象IT一样重新积累电荷，存储部分又象FT一样一行一行输出图像信号。31CUC32CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008隔行读出帧积累方式(FrameIntegrationMode)与显像管中的隔行扫描类似，面阵CCD的光生电荷是隔存储在奇数行各像素中的光生电荷在奇数场读出，存储在行读出的，但因为沿用真空摄像管的术语和叙述的方便，常偶数行各像素中的光生电荷在偶数场读出，每个像素的光生电荷的积累时间是一帧时间1／25秒。常把隔行读出也说成隔行扫描。隔行读出有帧积累方式和场帧积累方式的光生电荷积累时间长，上一场的光生电荷积累方式两种。保留在光敏区，出现在下一场中，所以有一场时间的延迟，引起动态分辨率下降。33CUC34CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008场积累方式(FieldIntegrationMode)帧积累方式如下特点：两个相邻行的电荷加起来同时转移到垂直CCD移位寄存（1）垂直分解力高器。隔行读出是由相加电荷的组合方式不同来实现的。每个像素的光生电荷积累时间是一场时间1／50秒。在四相时（2）一场时间的电荷积累，拍摄活动图像时会变模糊，适钟脉冲驱动下完成相邻行电荷的合并。合于拍摄静止图像。不过，在帧积累的基础上配合电子快门，就能解决模糊问题。场积累方式有如下特点：⑴没有一帧时间的电荷积累，而是一场时间，少50%⑵图像垂直边缘的闪烁减少。⑶宽的动态范围和抗弥散性好。（弥散也称光晕，开花。光敏区某一点被过曝光时，电荷从势阱中溢出，流入相邻的势阱内，出现一种像墨水发泅那样的现象，使画面变白。）⑷垂直方向分辨率略有降低。35CUC36CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新200863、CCD器件的工作特性（1）电子快门：电子快门时间：有效积累时间。有效积累时作用：使摄像机在拍摄高速运动物体时，重现图像不模糊。间越短，电子快门速度越快。（CCD器件上每一个像素，要经一场时间的电荷积累）电子快门时间通常以行周期的整数倍来设电子快门：缩短积累电荷的时间，将极短时间积累的电定，如16H，16/15625＝1/976.56≈1/1000秒荷读出。现在CCD摄像机可选择的电子快门速度档次实现方法：一般为：将一场时间积累的电关、1/50s、1/100s、1/250s、1/500s、荷分两次读出，第一次舍1/1000s、1/2000s弃掉（通过溢流沟道上加高电位），舍弃后重新积说明：使用电子快门时，图像信号幅度小，累，到达场消隐时再读出作为图像信号。信杂比低，景物有高照度时才用。37CUC38CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008（2）CCD摄像机的特性：优点：寿命长、维护简单、灵敏度高、惰性轻（无高照度的拖彗尾、开花）、耐灼伤、无画面几何畸变、抗振性好、不受磁场干扰、耗电少、重量轻、可加电子快门等。缺点：固定图形杂波大（CCD单元性能差异引起、低照度明显）、ITCCD有垂直拖道。39CUC40CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008彩色CCD摄像机单片式彩色CCD广播电视中常用的是三片式彩色CCD摄像机。z拜尔滤镜（Bayerfiltermosaic）由EastmanKodak的博士BryceE.Bayer提出z过滤的模式为50%绿色，25%红色和25%蓝色，所以也称为GRGB或RGGB。绿色的元件是红色或蓝色元件数的两倍，是为了模仿人类的眼睛对绿光更敏感的原理。41CUC42CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20087第二节三基色信号的产生根据三基色原理，彩色景物要分成三幅基色图像，然后形成三个基色电信号----红基色信号绿基色信号蓝基色信号三基色信号由彩色摄像机产生。彩色摄像机首先由分光棱镜将彩色的光学图像按一定的分光特性分成红、绿、蓝三幅光图像，然后分别进行光电转换和电荷转移，得到三个基色视频电信号。43CUC44CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20082、彩色显像管显像基本原理彩色摄像机的组成：（三CCD摄像机）变焦距镜头、滤色片（包括中性滤色片、色温校正片）、分光棱镜、三个摄像器件、三个信号处理电路、编码器。45CUC46CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008第三节色度匹配和彩色校正（1）三个基色电压和景物色光的关系1、色度匹配显像端重现的色光和景物反射的色光（或者780ER=KRP（λ）ρ（λ）T（λ）D（Rλ）S（Rλ）dλ说和进入摄像机的色光）外貌相同（即色度坐标∫380780EG=KGP（λ）ρ（λ）T（λ）D（Gλ）S（Gλ）dλ相同）。∫380780EB=KBP（λ）ρ（λ）T（λ）D（Bλ）S（Bλ）dλ47CUC∫38048CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20088为了简单起见，设KR=KG=KB=K1，T（λ）、D（λ）、S（λ）（2）显像端要求的三色系数的乘积称为摄像机综合光谱响应特性（简称摄像特性），在显像端，为混配出外貌和功率谱为P（λ）ρ分别表示为：r（0λ）=T（λ）D（Rλ）S（Rλ）（λ）相同的色光，要求的三色系数为:g（0λ）=T（λ）D（Gλ）S（Gλ）780Re=P(λ)ρ(λ)re(λ)dλb（0λ）=T（λ）D（Bλ）S（Bλ）∫380780则摄像机产生的三个基色电压可简写为：Ge=P(λ)ρ(λ)ge(λ)dλ∫380780780E=KP（λ）ρ（λ）r（λ）dλR10Be=P(λ)ρ(λ)be(λ)dλ∫380∫380780EG=K1P（λ）ρ（λ）g（0λ）dλ∫380780EB=K1P（λ）ρ（λ）b（0λ）dλ∫38049CUC50CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008（3）实际的三色系数（4）色度匹配为了达到色度匹配，实际的三色系数必须等于或正比于各自所要求的三色系数，即′780780Re=K2K3K1P（λ）ρ（λ）r（0λ）dλ=Re=P（λ）ρ（λ）r（eλ）dλ∫380∫380′780780Ge=K2K3K1P（λ）ρ（λ）g（0λ）dλ=Ge=P（λ）ρ（λ）g（eλ）dλ∫380∫380′780780780Be=K2K3K1P（λ）ρ（λ）b（0λ）dλ=Be=P（λ）ρ（λ）b（eλ）dλ′∫380∫380Re=K2ERd=K2K3ER=K2K3K1P（λ）ρ（λ）r（0λ）dλ∫380′780Ge=K2EGd=K2K3EG=K2K3K1P（λ）ρ（λ）g（0λ）dλ∫380′780Be=K2EBd=K2K3EB=K2K3K1P（λ）ρ（λ）b（0λ）dλ5152∫380CUCCUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008说明：（）由于镜头的透光特性、摄像器件的光谱灵敏度基本平坦，综也就是：11r0(λ)=re(λ)=Kre(λ)合光谱响应特性主要指分光棱镜的分光特性；K1K2K3（2）正主瓣和负次瓣;1g(λ)=g(λ)=Kg(λ)（3）显像管的电光转换特性是非线性，经校正后，上述满足色度0ee匹配的结论仍是正确的。K1K2K31b0(λ)=be(λ)=Kbe(λ)K1K2K3结论：为了色度匹配，摄像机红绿蓝三路的综合光谱响应特性必须正比于显像三基色的混色曲线，也就是说，显像三基色的混色曲线就是理想的摄像光谱响应曲线。53CUC54CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新200892、彩色校正实际摄像机输出的三个基色电压是经过彩色校正后的，它和摄像器件输出的基色电压的关系为：（1）为什么要进行彩色校正？彩色校正是通过对三个基色电信号的处理来弥补⎡ER校⎤⎡abc⎤⎡ER⎤⎢⎥分光系统的不足，以尽量达到色度匹配。E=⎢def⎥⎢E⎥⎢G校⎥⎢⎥⎢G⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥（2）彩色校正原理⎣EB校⎦⎣ghi⎦⎣EB⎦在摄像机拍摄白色物体时，ER=EG=EB--称为白平衡，为了不破坏白平衡，要求a+b+c=1，d+e+f=1，g+h+I=1。根据显像三基色混色曲线可知：矩阵系数a、e、i是正值且大于1，其余六个系数必小于1，b、d、f、h四个必为负值，c必为正值，g一般也为负值(视 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 而定)。55CUC56CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008第四节电视系统的γ校正结论：（1）彩色校正的目的是使摄像装置的分光特性1、电视系统的总传输（γ）特性和显像三基色混色曲线接近一致，以尽量达总传输特性是指从景物亮度BS到重现亮度BP的光-到色度匹配；电-光特性要求为线性，即：B=KBγ（2）彩色校正采用线性矩阵电路；PSBSU（3）彩色校正不可能得到理想的光谱曲线，即SBP不可能达到完全的色度匹配。UP57CUC58CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008BSUSBSUSBPBUPPUP电视系统包括三个环节：（2）电信号的传输（1）摄像器件的光-电变换图像信号电压US到显像管的激励电压UP，即传输通道的电-景物亮度BS到图像信号电压US，即摄像器件的光-电变换特性：电传输特性：γU=KUγ2，γ为通道的γ值，1(1)γ=P2S2US=K1BS1它可以人为的设计和调整，使整个系统为线性。59CUC60CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新200810BSUSBSUBPSUPBPUP电视系统的总传输特性：重现图像亮度BP和景物亮度BS的关系。（3）显像管的电-光变换特性γ3γ2γ3γ1γ2γ3γBP=K3K2K1BS=KBS显像管的激励电压UP到重现亮度BP。γ3BP=K3UPγ为电视系统的非线性系数，γ=1，重现图像亮度和景物亮度成正比，无亮度层次失真。γ=γγγ61CUC12362CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20082、γ对黑白图像的影响电视系统的γ校正若γ≠1，会产生亮度失真；若γ≠1的恒定值，出现的亮度失真称为均匀性亮度失真。目的：使整个系统的γ=1，通常在摄像机里进行。其中：γ<1----暗扩张，亮压缩失真，称均匀性白压缩；γ>1----暗压缩，亮扩张失真，称均匀性白扩张。γ1=1，γ3=2.2（黑白显像管）或2.8（彩色显像管）γγ（黑白摄像机）BP=KBS2=0.45或0.35（彩色摄像机）。由摄像机中设置非线性放大器实现。63CUC64CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新20083、γ对彩色图像的影响麦克斯韦彩色三角形计色系统的特点：等边三角形，顶点：（）、（）、（）；彩色电视系统，如果γ≠1，不仅有亮度失真（均匀性zRGBzr+g+b=1，r、g、b相对色系数；亮扩张均匀性暗扩张），而且会有色度失真（饱和度、色z谱色、补色、白色调失真）。为了分析饱和度、色调失真情况，引入麦克斯韦彩色三角形。65CUC66CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新200811222Rd=R0，Gd=G0，Bd=B0™彩色系统的γ特性对重现色度的影响假设γ=2，K=1。（1）白色----无影响假设景物色光的三色系数为R0、G0、B0，原景物为白色，它的色度坐标在三角形的重心，重现的色光的三色系数为Rd、Gd、Bd，如果三个通道的放大量、γ特性都相同，111FW=(R)+(G)+(B)R=kRγ，G=kGγ，B=kBγ333d0d0d0111R：G：B=：：=1：1：1000333原景物的色度取决于，重显的色度取决111R0：G0：B0R：G：B=R2：G2：B2=（）2：（）2：（）2=1：1：1ddd000333于。Rd：Gd：Bd67CUC68CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008（2）对三个基色和基色的补色--无影响（3）非饱和的黄色---色调没变，饱和度加大比如红色，原景物三个原色光基色光分量的亮度5512（三色系数）之比为R0：G0：B0=::=1:1:1212651：0：0，重显色光显示的三基色的亮度比5514为1：0：0R：G：B=()2:()2:()2=1:1:ddd1212625蓝色分量相对减小了，红、录比例没变-----色调没变，饱和度加大。色度坐标向三角形边线移动。69CUC70CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008结论：（4）饱和度为100%的橙色（YR）--色调变化，饱和度不变（1）γ不等于1，对于白色、饱和度100%的三基（YR）：g=1/4，r=3/4，b=0，色以及它们的补色，无色度失真。31原色光R：G：B=::0=3:1:000044（2）γ不等于1，对于其它颜色都有色度失真，γ>1，对于亮度将出现均匀性白扩张，重显的Rd：Gd：Bd=对于色度，其坐标的位置向彩色三角形的最31()2:()2:(0)2=9:1:0近的顶点和边线移动；44γ<1，对于亮度将出现均匀性白压缩，兰分量为0------饱和度为对于色度，其坐标的位置向白色点和偏离顶点100%，没变。方向移动。红分量增大---色调变化—偏红坐标向顶点移动。71CUC72CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新2008124、三基色信号γ的校正由于现代彩色显像管的γ值约为2.8，所以γ校正级的γ值作业：大致为1/2.80≈0.36。z8、9当彩色电视系统的总γ值稍大于1时，引入的色度失真会使z13、（15、18一起做）、16、19重现的彩色向色调变鲜艳、饱和度更高的方向偏移，更让人喜欢。因此实际上彩色电视系统的总值稍大于1，实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 γ＝1.26时效果较好，所以现在摄像机中的γ校正级常以1.26/1.28＝0.45作为调定的标准值。为了运用灵活和方便，彩色摄像机中γ校正级的非线性系数（即γ值）是可以在一定的范围内由操作人员自己调整的。73CUC74CUC•信息工程学院•石东新2008•信息工程学院•石东新200813