CCD或COMS图像传感器的低通效应

2012-03-04 giai 478

 

不知道您是否发现,在我们拍摄的对象中有较细横竖条时,例如拍摄身穿带有细条纹服装对象时,视频图像中总会出现或粗或细的条纹, 并且这些条文随着被拍摄物体的远近或移动,也相应的不断变化。此现象越是低档的机器越严重,高清机也不例外。这对这个问题, 最近查阅一些资料,发现这是由于图像传感器一种特殊的“低通效应”所致。为了让大家也理解这一问题的究竟,特摘录整理一段对该问题有关解释,供大家参考。
 
       由于CCD或CMOS固体图象传感器是一种离散像素的光电成象器件,根据奈奎斯特定理,一个图象传感器能够分辨的最高空间频率等于它的空间 采样频率的一半,这个频率就称为奈奎斯特极限频率。在用CCD摄像机获取目标图象信息时,当抽样图象超过系统的奈奎斯特极限频率时,在图象传感器上,高频成分将 被反射到基本频带中,造成所谓纹波效应或莫尔效应,使图象产生周期频谱交迭混淆或称为拍频现象。假设CCD的抽样频率为15MHZ,在图象信号为10MHZ时,混叠频率分量为 15MHZ-10MHZ=5MHZ,在图象信号为9MHZ处,混叠频率分量为15MHZ-9MHZ=6MHZ,这两项混叠频率分量经电路低通滤波后都是无法滤掉的,并与有用图像信号一样被输出, 如在所观测的波形中在9MHZ和10MHZ频带处叠加的5MHZ和6MHZ信号成分。在7MHZ信号上有明显的低频差拍存在,差拍频率约1MHZ。这些混叠的信号将影响图象清晰度,甚 至出现彩色条纹干扰。
 
       由于上述现象的存在,电视主持人很少穿着带有条纹的服装,或者说带有条纹的服装,是电视工作者一种非常忌讳的服装。 由于家用小型CCD或CMOS摄像机图像传感器在垂直和水平方向传输光学信息都是离散的取样方式,这是因为它的光敏单元在水平方向也是离散的。根据取样定理可知, 取样后的信号频谱分布和幅度变化为:
 
       式中,τs为取样脉冲宽度,即一个感光单元的宽度;Ts为取样周期,即一个像素的宽度(含两侧的不感光部分)。当n=Ts/ts时,谱线包络达到第一个零点, 这是孔径光阑效应的表现。 若高频信号幅度下降,可适当选择τs,使在fs/2处的频谱幅度下降得小一些,使频谱混叠部分减小。τs越小,频谱幅度下降越缓慢,混叠部分增大。ts增大,频谱幅度下降加快,频 谱混叠部分减小。由此可见,在家用小型摄像机中感光单元的宽度和像素宽度有个最佳比例,即像素的尺寸和像素的密度以及像素的数量都是决定摄 像机分辨率的主要因素。在图象上反映出来的频谱混叠会引起低频干扰条纹,它对摄像机所拍摄的图象水平方向的清晰度有很大影响。
 
    由于在电子电路上用电子低通滤波器难以滤出这种包括在有用视频图像在一起的干扰,因此,最常用光学镜头采用予处理前置滤波技术, 降低摄像机光敏面上光学图象的频带宽度,以减少频谱混淆,即采用光学低通滤波器。
 
        光学低通滤波器(Optical Low Pass Filter,简称OLPF)实际是一低通滤波的石英作的晶片。1988年日本富士公司与东芝公司合作推出第一 台数位静态相机(Digital Still Camera,简称DSC)起,才将OLPF带入这发展迅速的数位世界中。
 
    随着科技进步,数位影象技术应用的领域也日益宽广,从数码相机(DSC)、数位摄像机(DVC)到影象电话(Video Phone)以及未来的第三代行动电话(G3)等 ,所有和影象有关的产品都要使用OLPF来消除上述的杂讯干扰。
 
        由于摄像机等固体图象传感器读取影像均采用这种非连续性取象方式,所以在拍摄细条纹(高频)时肯定会产生不必要的干扰杂音。由于细条纹的方向不同, 需用相对应角度的光学低通滤波晶片加以消除,又因为不同型号的CCD摄像机与CMOS图象传感器在规格上有些差异,为针对不同的型号及同时兼顾不同方向所产生的干扰杂音,需用不同 厚度、片数、角度组合的OLPF的设计,以提高取象品质。
 
     因此摄像机的镜头不单是简单的光学成像的作用,还有光学滤波等更为深奥的功能。
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