安防视频监控系统前端摄像机——CCD彩色摄像机简介

更新时间:2022-05-24


CCD彩色摄像机有三片式、二片式、单片式三种。由于三片式及二片式需分光棱镜分光后再经三片或二片CCD芯片输出红、绿、蓝三基色信号,因而其结构相对比较复杂。但对每一条光路来说,由于该光路的CCD传感器上各感光单元全部用于该路光信号的感光,因此可以得到最高的分辨率,所以三片式及二片式彩色摄像机主要作为广播级摄像机。但在安防视频监控系统中所用到的彩色摄像机,都是单片式的。由于一片CCD传感器相当于要对3路光信号感光,即片上各感光单元不能同时对某路光信号感光,因此单片式彩色CCD摄像机的分辨率不如三片式及二片式高,但成本却肯定比前者低很多。

一、彩色滤色器阵列(CFA)

显然,单片式彩色CCD摄像机中不再需要分光棱镜,而取而代之的是一种彩色滤色器阵列(Color Filter Array,CFA)=CFA可以从单片CCD芯片中取出红、绿、蓝三基色信号,因而单就最终的效果来看,它与分光棱镜分光后再经三片或二片CCD芯片输岀红、绿、蓝三基色信号有着相同的作用。从物理结构上看,CFA相当于在CCD晶片表面覆盖数十万个像素般大小的三基色滤色片,而这些微小的滤色片是按一定的规律排列的。各种单片式彩色CCD摄像机的设计方案,其实质性的特征主要取决于滤色器的结构。

(1)拜尔彩色滤色器。图1示出了拜尔(Bayer)提出的CFA结构。

图1 拜尔的CFA结构

由该结构可以看出,它每行只有两种滤色单元,或者G、R,或者G、B。显然,绿色的滤色片占了全部滤色片的一半,而红色和蓝色滤色片分别占全部滤色片的四分之一,其原因是因为人眼对于绿色的敏感度要比对红、蓝色的敏感度高。如果从各小滤色片的空间分布上看,拜尔CFA结构中各小滤色片的分布还是比较均匀的,但将它用作隔行扫描的电视摄像系统中,就会出现问题。

由图1可知,当奇数场到来时,只有奇数行的各像素被依次读出,即仅有红色和绿色信号的行被读出,画面呈黄色;当偶数场到来时,只有偶数行的各像素被依次读出,即仅有蓝色和绿色信号的行读出,画面呈青色。因而从时间上看,画面一会儿(20ms)为黄色,会儿(20ms)为青色,从而产生了半场频(对PAL制为25Hz、对NTSC制为30Hz)的黄青色闪烁。值得指岀的是,这种闪烁在CCD成像单元比较少时(如100x100)明显,而在成像单元数目较多的情况下,闪烁现象则不明显。因此,这种滤色器多用于像素数多的CCD传感器中。

(2)行间排列式彩色滤色器。为克服黄青色闪烁的问题,在实际应用中多采用如图2所示的行间排列方式的CFA结构。

图2 行间排列方式

在这种结构中,绿色小滤色片的排列方式不变,而红、蓝色小滤色片被安排得每行都有,因而无论是奇数场还是偶数场,红、蓝信号都被均匀地读出,从而消除了半场频的黄青色闪烁。因此,当接收彩色图像时,若使用图2所示的行间排列CFA,则CCD的输出信号奇数行将按RGBGRGBG……的顺序输出;偶数行将按GRGBGRGB……的顺序输出。

上述的拜尔的CFA和行间排列方式的CFA通常称为基色式滤色器的排列。在单片式CCD传感器的场合,滤色器的排列采用镶嵌式为好。因为人眼对绿光灵敏度最高,所以绿色像素第3章安防视频监控系统前端摄像机比红、蓝色像素的数量做得多,即无论纵行横行都使绿色像素每隔一个出现一次。实用中镶嵌式排列多采用行间排列式,因为这种排列方式具有三基色图像信号之间完全不会产生彩色边纹的特点。

基色式滤色器的排列结构的摄像器件,在进行隔行扫描时,其光敏单元和基色式滤色器的排列关系如图3所示。

图3 光敏单元和基色式滤色器的排列关系

由图可知,在其垂直方向上,每一个滤色器对应两个光敏单元,而在水平方向上,每一个滤色器对应一个光敏单元。这样,扫描奇数场由各滤色器单元的上部像素承担,偶数场由各滤色器单元的下部像素承担,这两个扫描场合起来,就可得到对应于行间排列的电信号。

基色式滤色器排列的优点是,光谱特性标准,彩色重现效果好,且分离电路比下面的补色式滤色膜简单。缺点是基色式滤色膜对每种基色光的利用率只有1/3,因此它们的灵敏度低于下面的补色式滤色膜。

(3)补色式滤色器。补色式彩色滤色器(即复合滤色器)比前述的基色式滤色器具有更高的灵敏度,因而冃前的新型彩色CCD摄像机大多采用。图4所示为目前应用较多的补色式点阵滤色器,如SONY公司1/3in彩色CCD传感器ICX059CK,就使用了这种补色点阵排列方式。

图4 补色式点阵滤色器示意图

由图4可见,每相邻的4个像素构成一组,它们分别镀有黄(Ye)、青(Cy)、品红(Mg)和绿(G)色等滤色膜,每一个滤色单元分别对应一个CCD感光单元。设第n行为Ye与Cy相间排列,第n+1行为Mg与G相间排列,则第n+2行与第n行相同,第n+3行与第n+1行相同(但纵向看,Mg与G也是相间排列的,即这两行有180°相位差)。如此4行一组,依此类推。由于Ye、Cy、Mg分别属于B、R、G三基色的补色,所以这种滤色器称为补色式滤色器。

在场积累方式中,相邻两行相加作为一行信号输出,如图3-6所示的奇数场的O1O2、O3,及偶数场的E1E2等。其结果是:对于奇数场的第O1行,水平移位寄存器的输出信号将按(Ye+Mg)、(Cy+G)、(Ye+Mg)、(Cy+G)……的顺序交替出现;而对于O2行,水平移位寄存器的输出将按(Ye+G)、(Cy+Mg)、(Ye+G)、(Cy+Mg)……的顺序交替出现。

由于3个补色信号是由R、G、B三基色信号形成,即Mg=R+B、Ye=R+G、Cy=B+G,因此将上述水平移位寄存器输出的相邻信号相加,即可得出近似的亮度信号(Y信号),而将相邻信号相减,即可得出近似的色差信号(即R-Y与B-Y信号)。其具体计算公式为

R-Y≈(Ye+Mg)-(Cy+G)=2R-G

B-Y≈(Cy+Mg)-(Ye+G)=2B-G      (1)

Y≈(Ye+Mg)+(Cy+G)=2R+3G+2B

由于色差信号R-Y和B-Y以行顺序交替出现,因而这种滤色器排列结构的彩色编码方法,称为行顺序彩色编码。

根据上述分析,通过适当设计各种滤色器的光谱响应曲线,可使(Ye+Mg)+(Cy+G)=2R+3G+2B的光谱响应曲线十分接近于应有的亮度信号Y的光谱响应曲线。此外,由于每相邻的4个像素中都可通过相加而得到Y信号,因此可通过低通滤波器,将它从CCD输出的组合信号中分离岀来。这种补色式滤色器对G光的透过率影响极小,只有品红色Mg膜能阻挡G光,但任意相邻的4个像素信号相加时,Mg+G都会得到白色信号。考虑到G光对亮度的贡献最大,所以补色式滤色器对景物的亮度传输损失很小,由此提高了灵敏度。若用白色透明膜代替G色膜,其灵敏度还可进一步提高。

由于补色式滤色器中滤色膜G的光谱响应曲线,接近于亮度光谱响应曲线,因此可以将2R-G近似地看为2R-Y,将2B-G近似地看为2B-Y,再通过白平衡调节电路进一步调节R、B的比例,即可使两路输出信号分别成为R-Y及B-Yo这种通过光谱上的近似处理及复杂的信号运算所产生出的近似色差信号和亮度信号,其彩色重现,显然不能准确逼真。但实践已证明,这种补色式点阵滤色器,已经能够满足一般监控摄像机的基本要求。

二、彩色信号处理

CCD输出的电信号经变换处理编码为PAL制视频信号的方框图如图5所示。

图5 彩色信号处理电路和方框图

图中,RL、GL、如分别为红、绿、蓝三基色信号的低频分量,GH为绿信号的高频分量。

CCD传感器的光谱灵敏度特性随光的波长不同而不同,所以要想彩色重复性好,需采用彩色校正矩阵。这种彩色校正矩阵的矩阵系数为

彩色图像信号处理方式的详细方框图如图6所示。

图6 彩色图像信号处理方式

图6可知,它把从CCD器件的输出信号中分离出的红、绿、蓝三基色视频信号,经低通滤波、放大、缓冲、处理、调制与混合,然后形成合成的彩色视频信号输出。这种图像信号处理方式,把CCD器件的输岀信号以及将它延迟相当于一个水平扫描周期的延迟信号(即1H视频信号),通过彩色分离电路,形成红、绿、蓝三基色信号。

彩色分离电路输岀的绿色信号的带宽为3.58MHz,红蓝色信号的带宽则为0.9MHz。对绿色信号以0.8MHz为界分成低频分量及高频分量,其高频分量保证了彩色摄像机的高分辨率,而低频分量则与红、蓝色信号一起作为普通彩色摄像机的图像信号进行处理。

三、单片式彩色CCD摄像机的结构及工作原理

(1)单片式CCD彩色摄像机的结构。单片式CCD彩色摄像机的结构如图7所示。


图9 单片式CCD彩色摄像机的结构

由图可见,它一般由摄像镜头、带镶嵌式滤色器的CCD传感器、将传感器读出的图像信号分离成三种基色信号的彩色分离电路、三种基色信号的处理电路以及彩色编码器等电路所组成。在图中,还有一个1H延迟部分,信号经过它后就被延时1个行周期的时间。滤色器和摄像单元具有相同的跨距,即每个滤色单元对应于CCD传感器的一个像素。

(2)单片式CCD彩色摄像机的工作原理。单片式CCD彩色摄像机的基本工作原理是:透过镜头的景物信号,经过滤色器后在CCD芯片上成像,并从形成的图像中取出含有彩色信号的图像信号,再和1H延迟线取出的图像信号一起送入彩色分离电路。这种分离出来的三基色彩色信号,在通过各自的低通滤波器之后,经处理放大再进入彩色编码器,从而得到复合图像信号的输出。

 

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