圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)

第3章圖像掃描與圖像顯示技術(shù)

如何將場景圖像分解（變換）成一維時序信號？如何將一維時序信號還原成圖像?包括圖像掃描（分解）的基本原理，一維時序信號的特點，電視制式包含的內(nèi)容，與圖像顯示技術(shù)等。3.1圖像解析原理

圖像解析是指將二維光強分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時序電信號的過程。3.1.1

圖像的解析方法1.光機掃描圖像解析方法

光機掃描圖像解析方法是借助于光電傳感器完成的，光電傳感器有分立的和集成的兩類。集成的又分為線陣列與面陣列的，為了便于學(xué)習(xí)，先討論單元光電傳感器光機掃描方式對圖像的解析。圖3-1光機掃描方式原理圖VXVY（1）單元光電傳感器光機掃描方式

單元光電傳感器

傳感器面積要?。?/p>

響應(yīng)波長覆蓋圖像；

做有規(guī)則的周期運動；做有規(guī)則的周期運動

T

y=nTx

T

y為光敏單元掃描整幅圖像的場周期。為場正程時間Tyz與場逆程時間Tyr之和。

Tx為光敏單元掃描一行圖像所用的時間，稱為行周期。由行正程時間Txz與逆程時間Txr之和。n為一場圖像掃描的行數(shù)。行、場掃描的時間分配

為將圖像分解得更清晰，光敏單元的軌跡應(yīng)布滿像面，光敏單元的尺度應(yīng)遠遠小于圖像的尺度；比例越大光學(xué)圖像的解析越高。

光敏單元掃描一幅所需要的時間稱為幀周期，其倒數(shù)為幀頻；幀頻的最小值受限于人眼的時間響應(yīng)。對于非視頻輸出的靜止圖像，掃描沒有嚴格的時間分配；但是，需要視頻輸出的動態(tài)圖像，必須有嚴格的時間分配才能使分解后的圖像能夠不失真地再現(xiàn)顯示，并獲得舒適的觀看效果；為此人們建立了嚴格的電視制式，將在后面討論。電視制式嚴格的安排了畫幅長寬尺寸的比例，行、場掃描的頻率、周期，行周期與場周期的時間分配等內(nèi)容也放到后面討論。

采用多個光電傳感器，并將其排成一行，構(gòu)成如圖3-2所示的多元光機掃描方式。多元光機掃描方式中，行掃描過程由光電傳感器信號的順序輸出來完成。

（2）多元光電傳感器光機掃描方式圖3-2

多元光機掃描方式原理圖即行正程期間將順序排列的像敏單元信號按順序輸出，例如線陣CCD，形成行正程信號，然后產(chǎn)生垂直方向的移動，形成二維。這種掃描方式使結(jié)構(gòu)得到簡化，速度得以提升。

線陣CCD掃描儀是最典型的多元光機掃描系統(tǒng)的應(yīng)用實例。

生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢測也屬于多元光機掃描方式成像的案例，例如玻璃表面瑕疵的檢測，大米色選，紡織物品的質(zhì)量檢測等，它們都有一個共同的特點，即可以形成圖像輸出，又能夠利用掃描過程產(chǎn)生的行信號判斷出即將生成圖像的瑕疵與產(chǎn)品質(zhì)量信息，便于及時作出處理動作。2．電子束掃描圖像傳感器是最早的圖像傳感器，熱釋電攝像管仍采用這種掃描方式。3．固體自掃描圖像傳感器是20世紀70年代發(fā)展起來的新型圖像傳感器件，如面陣CCD器件，CMOS圖像傳感器件等，這類器件本身具有自掃描功能。3.1.2圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù)包括圖像傳感器的光學(xué)成像物鏡與光電成像器件的參數(shù)。

1.與光學(xué)成像物鏡有關(guān)的參數(shù)（1）成像物鏡的焦距?

決定被攝景物與光電成像器件距離與所成圖像大小的參數(shù)。在物距相同的情況下，焦距越長的物鏡所成的像越大，越清晰。（2）相對孔徑D/?

為物鏡入瞳的直徑與其焦距之比。相對孔徑的大小決定了物鏡的分辨率、像面照度和成像物鏡的成像質(zhì)量。（3）視場角2ω視場角的大小影響光電圖像傳感器上成像良好的空間范圍。一般要求成像物鏡所成的景物圖像大于圖像傳感器的有效面積。

以上三個參數(shù)是相互制約的，不可能同時提高，在實際應(yīng)用中要根據(jù)情況適當(dāng)選擇。2、與光電成像器件有關(guān)的參數(shù)

（1）掃描速率

不同的掃描方式有不同的掃描速率要求。例如，單元光機掃描方式的掃描速率由掃描機構(gòu)在水平和垂直兩個方向的運動速度（轉(zhuǎn)動角速率）決定。行掃描速率（行正程）Vxz取決于光學(xué)圖像在水平方向的尺寸A和行正程時間Txz(3-2)同樣，垂直方向的場掃描速率（場正程）νyz取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場正程時間Tyz，即（3-3）

多元光機掃描方式圖像傳感器的行掃描速率νxz取決于讀取一行光敏單元所需的時間TH與一行內(nèi)光敏單元數(shù)N

，即（3-4）對于線陣CCD，

TH為行積分時間。垂直方向的場掃描速率νyz取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場正程時間Tyz（3-5）

固體自掃描圖像傳感器的水平掃描速率取決于傳感器水平行的像敏單元數(shù)與行掃描時間之比；垂直方向的場掃描速率取決于傳感器在垂直方向的像敏單元行數(shù)與場掃描時間之比。

如果能夠遵守電視制式，則可以獲得更為廣泛的應(yīng)用。（2）分辨率

光機掃描方式的圖像傳感器水平方向的分辨率（解像率）δ正比于機械掃描長度A與光電傳感器在水平方向的長度a之比，即（3-6）顯然，傳感器在水平方向的相對長度a越小，水平分辨率越高。對于線陣CCD掃描方式，水平分辨率與線陣CCD分解圖像長度A及有效像元數(shù)量有關(guān)，顯然，充分利用線陣CCD的像元數(shù)是獲得最高水平分辨率的有效措施。3.2圖像的顯示與電視制式

前面討論了利用各種掃描方式將光學(xué)圖像分解成一維視頻信號的方法。本節(jié)要討論將一維視頻信號還原成光學(xué)圖像的方法，即圖像的顯示問題。

圖像的顯示方法很多，采用計算機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)首先討論電視監(jiān)視器的圖像顯示器及其相關(guān)的電視制式。3.2.1電視監(jiān)視器的掃描（1）CRT電視監(jiān)視器CRT電視監(jiān)視器與CRT電視接收機的顯示部分原理是相同的，它們都是利用電子束激發(fā)具有余輝特性的熒光物質(zhì)，使其發(fā)光來完成電光轉(zhuǎn)換并顯示光學(xué)圖像的。掃描信號分為行、場掃描控制脈沖（偏轉(zhuǎn)）與亮度顯示。熒光屏的發(fā)光強度與視頻信號具有如下的函數(shù)關(guān)系

Lv=L（Uo）

（3-7）式中，L為與CRT熒光材料有關(guān)電光轉(zhuǎn)換系數(shù)，U0為遵守電視制式的視頻電壓信號，在行、場掃描鋸齒脈沖的作用下形成電視圖像。圖像掃描的場掃描常有逐行掃描與隔行掃描兩種方式1、逐行掃描

顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉(zhuǎn)線圈，其中分別流過鋸齒波電流，電子束在偏轉(zhuǎn)線圈磁場的作用下進行水平和垂直方向的偏轉(zhuǎn)，完成對熒光屏的掃描。圖3-4逐行掃描的場周期與行周期（a）場鋸齒波電流（b）行鋸齒波電流圖3-5逐行掃描光柵圖像顯示屏上的掃描線將做如圖3-5所示的掃描。

逐行掃描方式中的每一場都包含著行掃描的整數(shù)倍，這樣，重復(fù)的圖像才能穩(wěn)定地被顯示。即要求Tv=NTh，或

?h=N?v，其中N應(yīng)為正整數(shù)。

對人眼來說，圖像的重復(fù)頻率高于48Hz的圖像是分辨不出圖像的變化的（人眼對高于48Hz的圖像沒有閃爍的感覺），因此要獲得穩(wěn)定的圖像，圖像的重復(fù)頻率必須高于48Hz，即要求場頻高于48Hz。2.隔行掃描

根據(jù)人眼對圖像的分辨能力，掃描行數(shù)至少應(yīng)大于600行，這對逐行掃描方式來說，行掃描頻率必須大于29kHz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統(tǒng)還是對顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。隔行掃描由奇、偶兩場構(gòu)成一幀。奇數(shù)場由1，3，5，…等奇數(shù)行組成，偶數(shù)場由2，4，6，…等偶數(shù)行組成，奇、偶兩場合成一幀圖像。

兩場光柵均勻交錯疊加是對隔行掃描的基本要求，否則圖像的質(zhì)量將大為降低。因此隔行掃描應(yīng)滿足下面兩個條件：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點應(yīng)與上一幀起始點相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。

根據(jù)第一個條件，每幀掃描的行數(shù)應(yīng)為整數(shù)。若在各場掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二個條件，每幀均應(yīng)為奇數(shù)，那么每場的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。我國現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行，每場掃描行數(shù)為312.5行。3.2.2電視制式

圖像傳感器與顯示器必須遵守的規(guī)則，才能使掃描（分解）的圖像穩(wěn)定地顯示出來。使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)用于廣播電視系統(tǒng)，并被稱作為電視制式，是指用來實現(xiàn)電視圖像或聲音信號所采用的一種技術(shù)標(biāo)準。

全球應(yīng)用最多的是PAL(PhaseAlternatingLine)、NTSC(NationalTelevisionStandardsCommittee)和SECAM（SequentialColeurAvecMemoire）三種電視制式。

PAL制式又稱正交平衡調(diào)幅逐行倒相制式，規(guī)定每幀圖像有625行，分為奇偶2場，場頻為50Hz，場周期為20ms，場周期由正程（電子束由上向下掃描）與逆程（電子束由下返回到上端的過程）組成，場正程時間為18.4ms，場逆程時間為1.6ms；

隔行掃描每場包含312.5行，每行由行正程（電子束由左向右掃描）和行逆程（電子束由右返回左側(cè)的過程）構(gòu)成，行正程時間為52μs，行逆程時間為12μs。

彩色電視系統(tǒng)中還有圖像的伴音、與色彩信息，其載頻帶寬為6.5MHz。（1）PAL彩色電視制式（2）NTSC彩色電視制式NTSC制式又稱為正交平衡調(diào)幅制，20世紀50年代由美國研