CCD或CMOS圖像傳感器的低通效應

2012-03-04 giai

不知道您是否發(fā)現(xiàn)，在我們拍攝的對象中有較細橫豎條時，例如拍攝身穿帶有細條紋服裝對象時，視頻圖像中總會出現(xiàn)或粗或細的條紋， 并且這些條文隨著被拍攝物體的遠近或移動，也相應的不斷變化。此現(xiàn)象越是低檔的機器越嚴重，高清機也不例外。這對這個問題， 最近查閱一些資料，發(fā)現(xiàn)這是由于圖像傳感器一種特殊的“低通效應”所致。為了讓大家也理解這一問題的究竟，特摘錄整理一段對該問題有關(guān)解釋，供大家參考。

CCD或CMOS圖像傳感器的低通效應

(圖源網(wǎng)絡，侵刪) 


       由于CCD或CMOS固體圖象傳感器是一種離散像素的光電成象器件，根據(jù)奈奎斯特定理，一個圖象傳感器能夠分辨的最高空間頻率等于它的空間 采樣頻率的一半，這個頻率就稱為奈奎斯特極限頻率。在用CCD攝像機獲取目標圖象信息時，當抽樣圖象超過系統(tǒng)的奈奎斯特極限頻率時，在圖象傳感器上，高頻成分將 被反射到基本頻帶中，造成所謂紋波效應或莫爾效應，使圖象產(chǎn)生周期頻譜交迭混淆或稱為拍頻現(xiàn)象。假設CCD的抽樣頻率為15MHZ，在圖象信號為10MHZ時，混疊頻率分量為 15MHZ-10MHZ=5MHZ，在圖象信號為9MHZ處，混疊頻率分量為15MHZ-9MHZ=6MHZ，這兩項混疊頻率分量經(jīng)電路低通濾波后都是無法濾掉的，并與有用圖像信號一樣被輸出， 如在所觀測的波形中在9MHZ和10MHZ頻帶處疊加的5MHZ和6MHZ信號成分。在7MHZ信號上有明顯的低頻差拍存在，差拍頻率約1MHZ。這些混疊的信號將影響圖象清晰度，甚 至出現(xiàn)彩色條紋干擾。

 

       由于上述現(xiàn)象的存在，電視主持人很少穿著帶有條紋的服裝，或者說帶有條紋的服裝，是電視工作者一種非常忌諱的服裝。 由于家用小型CCD或CMOS攝像機圖像傳感器在垂直和水平方向傳輸光學信息都是離散的取樣方式，這是因為它的光敏單元在水平方向也是離散的。根據(jù)取樣定理可知， 取樣后的信號頻譜分布和幅度變化為：

 CMOS

(圖源網(wǎng)絡，侵刪) 


式中，τs為取樣脈沖寬度，即一個感光單元的寬度；Ts為取樣周期，即一個像素的寬度（含兩側(cè)的不感光部分）。當n=Ts/ts時，譜線包絡達到第一個零點， 這是孔徑光闌效應的表現(xiàn)。 若高頻信號幅度下降，可適當選擇τs，使在fs/2處的頻譜幅度下降得小一些，使頻譜混疊部分減小。τs越小，頻譜幅度下降越緩慢，混疊部分增大。ts增大，頻譜幅度下降加快，頻 譜混疊部分減小。由此可見，在家用小型攝像機中感光單元的寬度和像素寬度有個最佳比例，即像素的尺寸和像素的密度以及像素的數(shù)量都是決定攝 像機分辨率的主要因素。在圖象上反映出來的頻譜混疊會引起低頻干擾條紋，它對攝像機所拍攝的圖象水平方向的清晰度有很大影響。

 

由于在電子電路上用電子低通濾波器難以濾出這種包括在有用視頻圖像在一起的干擾，因此，最常用光學鏡頭采用予處理前置濾波技術(shù)， 降低攝像機光敏面上光學圖象的頻帶寬度，以減少頻譜混淆，即采用光學低通濾波器。

 

光學低通濾波器（Optical Low Pass Filter，簡稱OLPF）實際是一低通濾波的石英作的晶片。1988年日本富士公司與東芝公司合作推出第一 臺數(shù)位靜態(tài)相機（Digital Still Camera，簡稱DSC）起，才將OLPF帶入這發(fā)展迅速的數(shù)位世界中。

 

隨著科技進步，數(shù)位影象技術(shù)應用的領域也日益寬廣，從數(shù)碼相機（DSC）、數(shù)位攝像機（DVC）到影象電話（Video Phone）以及未來的第三代行動電話（G3）等 ，所有和影象有關(guān)的產(chǎn)品都要使用OLPF來消除上述的雜訊干擾。

 

        由于攝像機等固體圖象傳感器讀取影像均采用這種非連續(xù)性取象方式，所以在拍攝細條紋（高頻）時肯定會產(chǎn)生不必要的干擾雜音。由于細條紋的方向不同， 需用相對應角度的光學低通濾波晶片加以消除，又因為不同型號的CCD攝像機與CMOS圖象傳感器在規(guī)格上有些差異，為針對不同的型號及同時兼顧不同方向所產(chǎn)生的干擾雜音，需用不同 厚度、片數(shù)、角度組合的OLPF的設計，以提高取象品質(zhì)。

 

     因此攝像機的鏡頭不單是簡單的光學成像的作用，還有光學濾波等更為深奧的功能。


標簽: CCD CMOS