第一部分第一章圖像傳感基礎(chǔ)

1、圖像傳感技術(shù)主講：李子印中國(guó)計(jì)量學(xué)院第一章 圖像傳感基礎(chǔ)第一章圖像傳感基礎(chǔ)用于獲取圖像的傳感器的基本原理、基本結(jié)構(gòu)；圖像的顯示與制式。1.1 圖像傳感器基本原理 成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強(qiáng)分布（光學(xué)圖像）。能夠?qū)⒍S光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的傳感器稱為圖像傳感器。1.1 圖像傳感器基本原理制式：圖像傳感器與圖像顯示器之間的信號(hào)傳輸與接收都要遵守一定的規(guī)則，這個(gè)規(guī)則被稱為制式。例如廣播電視系統(tǒng)中規(guī)定的規(guī)則稱為電視制式。還有其他的一些專用制式。視頻信號(hào)：按電視制式輸出的一維時(shí)序信號(hào)被稱為視頻信號(hào)。相關(guān)基本概念：1.1 圖像傳

2、感器基本原理 圖像傳感器的種類很多，根據(jù)圖像的分解方式可將圖像傳感器分成三種類型：光機(jī)掃描型光電圖像傳感器；電子束掃描圖像傳感器；固體自掃描圖像傳感器。1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)1.1 圖像傳感器基本原理1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)1、光機(jī)掃描式圖像傳感器 光機(jī)掃描式圖像傳感器又分為單元光機(jī)掃描方式與多元光機(jī)掃描方式的圖像傳感器。 （1）單元光機(jī)掃描方式 采用單元光電傳感器（包括熱電傳感器）與機(jī)械掃描裝置相配合可以構(gòu)成光機(jī)掃描方式的圖像傳感器。在下圖所示的光機(jī)掃描方式原理圖中，單元光電傳感器的面積與被掃描圖像的面積相比很小，可以看作一個(gè)點(diǎn)。1.1 圖像傳感器基本原理1.1.1 圖像傳

3、感器的基本結(jié)構(gòu)1、光機(jī)掃描式圖像傳感器 掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器在圖像的像面沿水平（x方向）做高速往返運(yùn)動(dòng)，并稱其為行掃描。沿x正方向的運(yùn)動(dòng)稱為行正程，反之為行逆程。在垂直（y方向）做低速往返運(yùn)動(dòng)，稱為場(chǎng)掃描。場(chǎng)掃描中沿y方向的掃描運(yùn)動(dòng)稱為場(chǎng)正程，反之為場(chǎng)逆程。（1）單元光機(jī)掃描方式 圖1.1 單元光機(jī)掃描原理圖1.1 圖像傳感器基本原理1、光機(jī)掃描式圖像傳感器 1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)行、場(chǎng)掃描需滿足兩個(gè)條件：（1）單元光機(jī)掃描方式 圖1.1 單元光機(jī)掃描原理圖 ，其中1.1 圖像傳感器基本原理1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)1、光機(jī)掃描式圖像傳感器 減小光電傳感器的面積是提高光機(jī)掃描方式

4、分辨率的有效方法；傳感器光敏面的減小，掃描點(diǎn)數(shù)的提高，使行正程的時(shí)間增長(zhǎng)，或必須提高行掃描速度；單元光電傳感器的光機(jī)掃描方式的水平分辨率受到掃描速度的限制。（1）單元光機(jī)掃描方式 相關(guān)結(jié)論：為什么？另辟蹊徑！1.1 圖像傳感器基本原理1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)1、光機(jī)掃描式圖像傳感器 行掃描由光電傳感器的順序輸出完成。在行正程期間，按排列順序?qū)⒐怆妭鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)取出形成行視頻信號(hào)。機(jī)械掃描只需要進(jìn)行y 方向的一維掃描便可以將整幅圖像轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)輸出，彌補(bǔ)了機(jī)械掃描速度慢的缺點(diǎn)，同時(shí)減少了雙向掃描帶來(lái)的繁雜的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)。（2）多元光機(jī)掃描方式 圖1.2 多元光機(jī)掃描原理圖1.1 圖像

5、傳感器基本原理1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)2、電子束掃描圖像傳感器最早應(yīng)用于圖像傳感器，如早期的各種電真空攝像管，真空視像管，以及紅外成像系統(tǒng)中的熱釋電攝像管等；基本原理：被攝景物圖像通過(guò)成像物鏡成像在攝像管的靶面上，以靶面電位分布或以靶面電阻分布的形式將光強(qiáng)分布的圖像信號(hào)存于靶面，并通過(guò)電子束將其檢取出來(lái)，形成視頻信號(hào)。電子束在攝像管偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，進(jìn)行行掃描與場(chǎng)掃描，完成對(duì)整個(gè)圖像的掃描。1.1 圖像傳感器基本原理1.1.1 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)3、固體自掃描圖像傳感器固體自掃描圖像傳感器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型圖像傳感器件，如面陣CCD器件，CMOS圖像傳感器件等；基本原理

6、：本身具有自掃描功能，例如面陣CCD固體攝像器件的光敏面能夠?qū)⒊上裼谄渖系墓鈱W(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電荷密度分布的電荷圖像，電荷圖像可以在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下按照一定的規(guī)則（如電視制式）一行行地輸出，形成圖像信號(hào)（或視頻信號(hào)） 。1.1 圖像傳感器基本原理1.1.2 圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù) 技術(shù)參數(shù)光學(xué)成像物鏡參數(shù)光電成像器件參數(shù)焦距相對(duì)孔徑視場(chǎng)角掃描速率分辨率1.1 圖像傳感器基本原理1、掃描速率1.1.2 圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù) 單元光機(jī)掃描方式：掃描速率由掃描機(jī)構(gòu)在水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度（轉(zhuǎn)動(dòng)角速率）決定。行掃描速率（行正程）取決于光學(xué)圖像在水平方向的尺寸A和行正程時(shí)間；垂直方向的場(chǎng)掃描速率（場(chǎng)正

7、程）取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場(chǎng)正程時(shí)間1.1 圖像傳感器基本原理1、掃描速率1.1.2 圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù) 多元光機(jī)掃描方式：行掃描速率取決于讀取一行光敏單元所需的時(shí)間與一行內(nèi)光敏單元數(shù)N ；垂直方向的場(chǎng)掃描速率取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場(chǎng)正程時(shí)間；1.1 圖像傳感器基本原理1、掃描速率1.1.2 圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù) 固體自掃描圖像傳感器：水平掃描速度取決于傳感器水平行的像敏單元數(shù)與行掃描時(shí)間之比；垂直方向的場(chǎng)掃描速度取決于傳感器在垂直方向的像敏單元行數(shù)與場(chǎng)掃描時(shí)間之比；1.1 圖像傳感器基本原理2、分辨率1.1.2 圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù) 光機(jī)掃描圖像傳感器：水平方

8、向的分辨率（解像率）正比于機(jī)械掃描長(zhǎng)度A與光電傳感器在水平方向的長(zhǎng)度a之比；垂直分辨率也與光電傳感器在垂直方向的長(zhǎng)度b有關(guān)，另外與垂直方向的掃描長(zhǎng)度及行間距有關(guān)。1.1 圖像傳感器基本原理2、分辨率1.1.2 圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù) 固體自掃描圖像傳感器：固體自掃描圖像傳感器的水平與垂直分辨率分別與器件本身在兩個(gè)方向上的分辨率有關(guān)。1.2 圖像的顯示與電視制式 圖像的顯示方法很多，采用計(jì)算機(jī)顯示器可以顯示各種數(shù)字圖形與圖像；也可以采用發(fā)光器件顯示各種不同規(guī)則（制式）的數(shù)字或模擬圖形與圖像；本節(jié)所討論的是電視監(jiān)視器的圖像顯示器及其相關(guān)電視制式問(wèn)題。1.2 圖像的顯示與電視制式 基本原理：在監(jiān)視器

9、中電子束在顯像管的電磁偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的洛倫茲力的作用下，產(chǎn)生水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)（即行、場(chǎng)兩個(gè)方向的掃描熒光屏）。電子束掃描的同時(shí)，視頻信號(hào)的幅度信號(hào)控制了電子束轟擊熒光屏的強(qiáng)度，熒光屏的發(fā)光強(qiáng)度是電子束強(qiáng)度的函數(shù)，這樣，建立了熒光屏的發(fā)光強(qiáng)度與視頻信號(hào)的函數(shù)關(guān)系 ，式中U0為視頻電壓信號(hào)，形成電視圖像。 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 1、逐行掃描圖1.3 逐行掃描電流波形（a）場(chǎng)掃描鋸齒波電流；（b）行掃描鋸齒波電流顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)線圈，線圈中分別流過(guò)如右圖所示的鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場(chǎng)作用

10、下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 1、逐行掃描圖1.4 逐行掃描光柵圖像由于電子束在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度，所以，在屏幕上電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡為如右圖所示的稍微傾斜的“水平”直線 。由于電子束具有一定的動(dòng)能，它將使熒光屏發(fā)出光點(diǎn)，它的軌跡成為一條條的光柵。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 1、逐行掃描圖1.4 逐行掃描光柵圖像由于電子束在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度，所以，在屏幕上電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡為如右圖所示的稍微傾斜的“水平”直線 。由于電子束具有一

11、定的動(dòng)能，它將使熒光屏發(fā)出光點(diǎn)，它的軌跡成為一條條的光柵。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 1、逐行掃描場(chǎng)頻要高于48Hz；掃描的水平行數(shù)至少應(yīng)大于600行；對(duì)于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能達(dá)到視覺(jué)分辨能力的最低要求。這樣的行掃描頻率，無(wú)論對(duì)攝像還是對(duì)顯示系統(tǒng)的要求都太高。隔行掃描1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 2、隔行掃描圖1.5 隔行掃描光柵圖像由奇、偶兩場(chǎng)構(gòu)成一幀。奇數(shù)場(chǎng)由1、3、5、等奇數(shù)行組成，偶數(shù)場(chǎng)由2、4、6、等偶數(shù)行組成，奇、偶兩場(chǎng)合成一幀圖像。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描

12、 2、隔行掃描圖1.5 隔行掃描光柵圖像由奇、偶兩場(chǎng)構(gòu)成一幀。奇數(shù)場(chǎng)由1、3、5、等奇數(shù)行組成，偶數(shù)場(chǎng)由2、4、6、等偶數(shù)行組成，奇、偶兩場(chǎng)合成一幀圖像。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.1 電視監(jiān)視器的掃描 2、隔行掃描第一，要求下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。兩個(gè)基本要求：每幀為奇數(shù)行行數(shù)為整數(shù)1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.2 電視制式 圖像傳感器與顯示器都遵守同樣的掃描規(guī)則，進(jìn)行同樣的同步掃描（分解）圖像或顯示圖像。這樣，才能保證所顯示的圖像與所分解的圖像保持一致。這種規(guī)則廣泛地應(yīng)用

13、于廣播電視系統(tǒng)，并被稱作為電視制式。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.2 電視制式 1、 NTSC彩色電視制式20世紀(jì)50年代由美國(guó)研制成功,主要用于北美、日本以及東南亞各國(guó)的彩色電視制式，該電視制式確定的場(chǎng)頻為60 Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為525行，伴音、圖像載頻帶寬為4.5 MHz。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.2 電視制式 2、 PAL彩色電視制式20世紀(jì)60年代由德國(guó)研制成功，主要用于我國(guó)以及西歐各國(guó)的彩色電視制式，該電視制式確定的場(chǎng)頻為50 Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5 MHz。1.2 圖像的顯示與電視制式 1.2.2 電視制式 3、 SECAM彩色電視制式SECAM彩色電視制式是20世紀(jì)60年代由法國(guó)研