图像的成像显示和记录说课讲解.ppt

第四章 图像的成像、显示和记录l摄像器件分类：内光电导效应型内光电导效应型外光电效应型外光电效应型光电像管光电像管 Iconoscope Iconoscope超光电像管超光电像管 super Iconoscope super Iconoscope正析像管正析像管OrthiconOrthicon超正析像管超正析像管 super super OrthiconOrthicon视像管视像管 Vidcon Vidcon氧化铅管氧化铅管 Plumbicon Plumbicon硒砷锑管硒砷锑管SaticonSaticon硅靶管硅靶管 电子管电子管固体摄像器件固体摄像器件MOSMOS摄像器件摄像器件CCDCCD摄像器件摄像器件( (吸收光发出吸收光发出 自由电子自由电子) )入射光入射光光电面光电面二次电子二次电子倍增器倍增器信号出信号出析像管原理析像管原理光电子光电子( (电阻率随光电阻率随光 量变化量变化) )R RL L+E+E像素等效电路像素等效电路C C信号出信号出电子枪电子枪入射光入射光光导管原理光导管原理信号出信号出光导靶光导靶电子束电子束l直径( 英寸)：3,1.5,1,2/3,1/2。

l超正析像管：惰性小噪声大l视像管：电场和长磁场聚焦；网电极保证电子束垂直上靶l固体摄像器件：无须扫描和聚焦(按像素移位)，光谱响应宽，功耗低，可集成处理电路有电荷耦合 (CCD)和CMOS摄像器件，它是发展方向信号出信号出视像管构造图视像管构造图超正析像管超正析像管CCDCCD摄像器件摄像器件光谱特性光谱特性SiOSiO2 2N-SiN-Si-V-V1 10V0VAl Al 电极电极耗尽层耗尽层(a)(a)势阱的形成势阱的形成-V-V1 1* * -V-V2 2(c)(c)少数载流子的转移少数载流子的转移-V-V1 10V0V(b)(b)少数载流子的捕获少数载流子的捕获光照光照0V0V-V-V2 2(d)(d)转移完成转移完成CCD 摄像器件的工作原理：平面扫描平面扫描C C D C C D 成像单元成像单元C C D C C D 移位寄存器移位寄存器输出信号输出信号行间转移方式行间转移方式 帧转移方式帧转移方式彩色摄像机的分光：棱镜和滤色片分光R CCDG CCDB CCD红外滤光片红外滤光片变焦镜头变焦镜头R/ B CCDG CCD红外滤光片红外滤光片变焦镜头变焦镜头青色滤光片青色滤光片红、蓝滤光片红、蓝滤光片R/G/B CCD红、绿、蓝方红、绿、蓝方格图案滤光片格图案滤光片红外滤光片红外滤光片变焦镜头变焦镜头分色棱镜分色棱镜二向分色棱镜二向分色棱镜(a)三板式的棱镜分光 (b)二板式的二向色棱镜分光(c)单板式的方格图案滤色片分光色再现性好的滤色色再现性好的滤色片是把绿色配置成片是把绿色配置成方格，而在其间配方格，而在其间配置红、蓝滤色片。

置红、蓝滤色片绿色多可尽量加宽绿色多可尽量加宽亮度信号的带宽亮度信号的带宽采用包含绿色成份采用包含绿色成份的补色滤色片的补色滤色片( (白、白、青、黄青、黄) )可以提高光可以提高光的利用率的利用率人眼和硅半导体人眼和硅半导体相对不同波长光相对不同波长光的敏感曲线的敏感曲线CCD彩色摄像机l 3CCD：用前一像素替换有缺陷的缺陷补偿电路；以G为准的白平衡，故色差中G替Y；Y控制光圈；轮廓补偿提高清晰度；处理电路有彩色校正、校正、黑斑补偿等l2CCD：R,B共用CCD后青色滤光片衰减红以保持增益一致；条形滤色片和识别电路分离红和蓝色；G独占CCD保证清晰度技术指标低于3CCD，适用于专业级摄像应用三板式三板式CCDCCD摄像机摄像机二板式二板式CCDCCD摄像机摄像机USB 数字摄像机组成原理：UARTUART8/108/10bitsbits摄像接口摄像接口256K16（EDO/SDRAM） DRAMDRAM接口接口Addr. R/WAddr. R/WDataData压缩引擎压缩引擎 CE CECompressionCompressionEngineEngine先进先出缓存先进先出缓存（FIFOFIFO）8/108 8 USB USB 接口接口8 8 系统系统 控制器控制器CMOSCMOS数字数字摄像器件摄像器件（HDCSHDCS）48MH48MHZ Z晶振晶振USB USB 控制器控制器USBUSB总线总线USBUSB驱动器驱动器 数字相机芯片数字相机芯片CMOS摄像器件的结构：lAPS(Active Pixel Structure )：由1990s中期NASA引入CMOS 图像传感器，解决了噪声问题。

l像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCDAPS 在显显微镜镜下的结结构APS 原理框图图Photodiode Active-Pixel Architecture微透镜镜改善低光特性lBayer 滤色片结构：图像传感器结构是每行同时输出2列上的像素：一行按G,R;-G,R下一行按B,G;-B,G因此，图像尺寸基本以22的倍数扩大或缩小有有B B，缺，缺GG和和R R： G= G=周围周围4 4个个GG的平均；的平均；R=R=周围周围4 4个个R R的平均有有GG，缺，缺B B和和R R： B= B=周围周围2 2个个B B的平均；的平均；R=R=周围周围2 2个个R R的平均有有R R ，缺，缺GG和和B B ： G= G=周围周围4 4个个GG的平均；的平均；B=B=周围周围4 4个个B B的平均Bayer Bayer 滤色片颜色内插算法滤色片颜色内插算法BayerBayer滤色图案滤色图案 0 1 2 3 . 636 637 638 639012 3 :476477478479.:lHDCS (Agilent公司)的结构：成像阵列成像阵列VGA:640480VGA:640480CIF:352 288CIF:352 288模拟行缓冲模拟行缓冲列译码列译码 可编增益放大器可编增益放大器PGA0PGA0 PGA1PGA1 模数转换器模数转换器ADC 0ADC 0 ADC 1ADC 1 缓冲缓冲输出输出行译码行译码行控制行控制列控制列控制PGAPGA控制控制ADCADC控制控制1010位并行数据输出位并行数据输出主控制主控制状态机状态机 Reg 0Reg 0Reg 1Reg 1 . .Reg nReg n寄存器堆寄存器堆串联接口控制串联接口控制 串串 并转换并转换并行接口控制并行接口控制数据输出控制信号数据输出控制信号寄存器总线寄存器总线列地址列地址行地址行地址控制总线控制总线Reg DataReg DataCtrlCtrl DIDIDODOOEOERxDRxDTxDTxDTCLKTCLKl 22的块给出一个彩色像素所需要的三基色值，由于不同色滤光片的透光率和光电二极管的光谱响应差异造成三基色增益的不同，这将影响图像的白平衡。

HDCS 利用二个增益可编程的放大器 (PGA) 对三个基色分别设置不同放大倍数来解决，四组增益寄存器分偶行偶列和奇行奇列(影响G)，偶行奇列 (影响R)，奇行偶列 (影响B)成像阵列中偶行是绿-红行，奇行是蓝-绿行l通过串行接口可对25个内部寄存器编程，设置器件的工作和接口方式编程参数：图像窗口大小、光电积累时间、像素增益、数据格式和码率、接口定时、中断控制、行和场以及快门同步、器件工作模式、输出引脚的驱动电平等 GRBG医学成像系统：l影像诊断的方法：X光放射学、计算机轴向层析(CAT：透射式CT和发射式ECT)、红外、射频和超声(A、B、M型)技术、照相和核磁共振成像(MRI)等一般说采用X光、红外、射频和超声等为媒体的影像诊断是形态显像(反映组织的密度分布)而属于核医学范畴的照相和核磁共振成像既是形态显像，又是功能显像l照相机(H.Anger)和ECT：利用同位素标记的药物参与人体的生理和生化过程，浓度分布得到结构形态(空间分辨)及变化得到功能(功能分辨和时间分辨)数字医学影像数字医学影像诊断系统诊断系统工作原理：99Tc、131I和125I是富中子的- 衰变( np+ - )，返回基态时产生单个单方向的光子。

通过铅合金准直器进入NaI晶体发光，由光电倍增管阵列接受位置和能量信息能量E进窗口电路鉴别(不同核素能量峰不同)，位置作为帧存的地址因出现光子是符合泊松分布随机事件，要用计数式采集，存储器字长决定最大计数值，一般10bit在相机基础上发展的ECT有单光子(SPECT)和正电子(PET)两类 目前PET最有前途，它使用核素11C、预放器阵列预放器阵列位置变换电路位置变换电路X+X+X-X-Y+Y+Y-Y-A/DA/DA/DA/D行地址行地址列地址列地址计数式计数式图像帧存图像帧存能量窗口能量窗口E E读写控制读写控制处理和显示处理和显示 照相机照相机15O、 13N、 18F都是人体组成的元素它们是缺中子的+ 衰变( np+ + )，正电子+很快与组织周围负电子结合形成两个成对的方向相反的光子(湮没辐射)现在认为大部分与生命有关的代谢过程与短半衰期的核素衰变在时向上一致l核磁共振成像MRI:使用质子或中子为奇数(不配对的核有内磁矩和自旋角动量)的同位素(1H、 2H、13C、 14N、 19F、23Na、31P、127I)，也是人体组成的元素核磁共振成像（核磁共振成像（MRIMRI）无外静磁场时脏器的合成磁场为零，加外磁场核的磁矩沿磁场方向排列(顺磁场者多于逆磁场)总体呈净磁场。

核磁矩绕静磁场轴线转动的进动频率称Larmor频率当加入Larmor频率的射频电磁场，射频场传播方向垂直于静磁场，核磁矩发生共振偏离，射频场能量以光子传给核磁矩使它跃迁高能态(共振交换)去掉射频场后，核回到低能态发出光子该交换过程净磁场的变化在接收线圈产生共振频率的感应电压，幅度与原子密度有关MRI磁体类型：超导(1.5104高斯)、电阻和永磁型(0.30.5104高斯) 其他结构有梯度线圈、发射和接收线圈以及计算机图像处理系统成像清晰、对比度高，兼有结构和功能在动态和代谢方面不如PET，不适合骨与空气部位成像遥感使用的传感器被动式被动式主动式主动式激光光谱仪激光光谱仪激光测距仪激光测距仪雷达雷达侧视雷达侧视雷达扫描式扫描式非扫描非扫描图像图像非图像非图像地磁测量地磁测量重力测量重力测量其他其他单照相机单照相机多光谱相机多光谱相机单镜头单镜头多胶片多胶片单胶片单胶片多镜头多镜头多胶片多胶片单胶片单胶片电视摄像机电视摄像机固体扫描仪固体扫描仪影像面扫描影像面扫描模拟式模拟式数字式数字式多光谱扫描仪多光谱扫描仪微波辐射计微波辐射计目标物面扫描目标物面扫描扫描式扫描式非扫描非扫描传感器传感器l光学机械扫描仪：扫描镜以45切线向旋转连续收集地面反射光谱(通常为0.38 14m )。

经光栅分光成多个波段接收并记录在高密度数字磁带上l热红外扫描仪：旋转镜对814m热辐射扫描探测收集的信号可以用显像管对与速高比(V/H)作等比例运动的胶片上曝光记录一般常温物体(300K)的最大辐射在10m热红外扫描仪结构热红外扫描仪结构多光谱扫描仪多光谱扫描仪MSSMSS的结构的结构(Bendix(Bendix公司公司) )HDDTHDDT无线电波谱的遥感无线电波遥感的优点：可见光和红外遥感在地面云雾覆盖时失去作用，无线电波可以穿云破雾，受大气影响仅限于毫米波存在O2 和H2O的吸收带、厘米波在1.35cm有H2O弱吸收传感器主要是雷达和微波辐射计波段频频率波长长VHF30300MHz110mUHF3003000MHz10100cmL带带10002000MHz1530cmS带带20004000MHz7.515cmC带带40008000MHz3.757.5cmX带带800012500MHz2.43.75cmKu带带12.518GHz1.662.4cmK带带1826.5GHz1.131.66cmKa带带26.540GHz0.751.13c。