原创 德国映美精工业相机探秘(二)

                                ----拜尔算法在映美精工业相机中的应用

实验评测时间：2009年04月
实验评测地点：北京市海淀区上地高新技术产业基地创业路17号4048房间
实验评测单位：www.china-vision.net
实验评测人：Jooonjay Zhang 及www.china-vision.net评测小组
实验报告撰写人:Jooonjay Zhang、Richard Yao
实验联系邮箱:Jooonjay.zhang@seventhsense.cn; richard.yao@seventhsense.cn
             machinevision@21cn.com；machinevision@sohu.com

本文讲述映美精1394CCD彩色缩放相机的颜色记录原理，文中使用的相机型号为DFK 31BF03-Z2.H，该相机的主要参数及性能可参考视觉网中《德国映美精工业相机初试用》一文，本文也是上述文章的深入与补充。

在相机内部，电荷耦合器件（CCD）芯片位于相机的“输入端”，它将光子转换为电子。这个转换过程中，光谱感应性是相机输入端的一个重要参数。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

在相机输出端，我们希望得到的是具有色彩格式的图像数据流，比如“Y800”或“UYVY”，有关Y800的文章还可参考《映美精1394CCD彩色缩放相机追加报告之三：裸数据Y800》。

本文将以DFK 31BF03-Z2.H相机为例详解映美精FireWire相机的输入输出特性。

第一节      概述

上图为典型工业相机的光线输入结构图，相机的光谱特性主要有以下四点：

? CCD芯片将光子转换为电子（光电效应）。色彩由CCD内部的拜尔（Bayer）滤光片生成（请参阅第三节CCD芯片（彩色））。

? 不同于人类肉眼，CCD芯片还对近红外线感光。然而这将在彩色相机中引起泛红的情况。红外滤光片能改善这一情况。但是没有红外滤光片的相机却能给用户提供更大的灵活性，因为用户可以在这类相机上根据自己需要加装不同的滤光片。本次由映美精提供的相机为DFK系列相机，前端带有红外滤镜，该滤镜的作用并非完全阻止红外光线进入感光芯片，例如在下图中使用的光源为近红外光线，在人眼看来如左图所示，根本感觉不到有光线，似乎LED颗粒并没有发亮，如果没有外界灯光将会一片漆黑，然而在映美精DFK 31BF03-Z2.H相机中则可观察到由光源发出的红外光线。

? 如果目标很小且外形规则，在成像时可能出现摩尔波纹，如下图所示，袋子表面为灰色，但通过相机成像后出现蓝红相间的波纹。映美精相机中的光学低通滤光片（OLPF）可以减弱这个效应。

? 相机内的处理单元将对CCD芯片产生的未加工的数据进行进一步处理。我们可以通过调节不同的参数来控制这一处理过程（详情请见《映美精1394CCD彩色缩放相机追加报告之四：获取最清晰的图像》）。本文还将讨论相机处理单元生成的色彩格式。

第一节      CCD芯片（彩色）

根据光电效应原理，CCD芯片将光子转换成电子。但在此过程当中，光子波长（直观反映光的颜色）这一重要信息会丢失。因此电荷耦合器件都可以被称为“色盲”。1976年布莱斯E.拜尔（Bryce E. Bayer）解决了这个问题并获得美国国家专利(3971065)。他给一半像素安装绿色滤光片，给另一半分别安装等量的蓝色和红色滤光片。由于这种设计采用了类似于马赛克式的结构，拜尔滤光片又被称为马赛克式滤光片。

由此，通过这些滤光片，这些像素不仅给我们提供亮度值，还附带了红、绿或蓝的色彩信息。下面的光谱特性图展示了映美精所使用的CCD中红、绿和蓝的含义。

型号为DFK 31BF03-Z2.H的映美精相机采用索尼型号为ICX204AK的CCD芯片制造，其光谱特性如下图所示：

第一节      红外滤光片

不同于人类肉眼，CCD芯片还对近红外线(NIR)感光。日光及灯泡发出的光线都含有大量的近红外线。考虑到以下两点原因，应避免近红外线对CCD芯片的影响：

? 不具备红外纠正功能的镜头（或其他光学器件）会错误处理近红外光线，从而可能降低图像质量。

? 对于彩色相机，近红外线可能导致泛红，从而无法进行正确的白平衡

因此很多厂家都给他们生产的相机配备了红外滤光片。

红外滤光片理论上能使光谱中的可见光完全透过，同时虑除所有的红外光。

另外，不带红外滤光片的相机可提供更大的灵活性，因为用户在使用这类相机时可根据自己需要加装不同的滤光片。因此，映美精制造的单色FireWire相机都不带红外滤光片。与此同时，映美精还生产一系列不带红外滤光片的彩色FireWire相机。这类产品的代码都以“DBK”开头。

第二节      色彩插值

在“CCD芯片（彩色）”一节中我们已经知道使用拜尔滤光片（也被称作马赛克式滤光片）是一种实现彩色CCD的简单方法。因为其原理简单，绝大多数彩色CCD都基于此方法。但它有一个不容忽视的缺点：即每个像素都只能显示红、绿或蓝之中的一种颜色。这类图像的格式被称作“原始/未加工的”“裸数据”（RAW）。

毫无疑问我们希望每个像素都能提供三种颜色的信息。一个像素里缺失的另外两种颜色可以通过所谓色彩插值进行弥补。这种方法同时也被称作“色彩空间插值”、“反马赛克”，及数码摄影领域 的“未加工转换”。

数码相机的广泛应用使得我们可以在计算机－而不是相机－中对色彩进行插值运算。这样做的优势在于：

? 未加工的彩色图片所携带的信息量与单色图片的信息量相等。所以转换这样的彩色图片与单色图片同样快捷。

? 色彩插值的方法多种多样。用户可以在计算机上使用任何一种插值方法。

? 从图像分析的角度看，在目标测量摄像领域，对于未加工的图像进行色彩插值完全没有必要。

因此，除低价D××<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />21F04系列的相机外，映美精在其他所有彩色FireWire相机上都提供色彩插值关闭功能，用户只需将色彩格式选为BY8(RAW)即可关闭色彩插值，如下图中左图为关闭色彩插值后采集到的图片，右图为局部放大图片。所有映美精随机附送的软件都兼容此格式，同时提供多种色彩插值的方法。

注意：在数码摄影领域，未加工格式的应用越来越广泛。乍看起来这些格式的图片比经过插值处理的图片大很多，但实际上，那些插值处理后的图片同时也是经过压缩处理的（如JPG）。所以如果我们不对插值处理后的图片进行压缩，它们可能比未加工的图片还要大。

详情请见《映美精1394CCD彩色缩放相机追加报告之四：映美精彩色相机工作原理》

第一节      光学低通滤光片(OLPF)

如目标物体很小且形状规则，则可能会导致生成图像中产生摩尔效应。光学低通滤光片可以减弱此效应，但同时会使得图像变得略微模糊。

注意：将镜头从焦点处略微移开也可使摩尔效应减弱。但集成在相机上的光学低通滤光片则具有其操作简便的优点。如果不调整镜头，我们仍能找到避免摩尔效应的方法，但图像会变得略微模糊。所以在这里，使用高精度的光学设备就没有多大实际意义了。

出于此项考虑，映美精只在低端彩色相机DFK 21F04, DFM 21F04, DFM 21F04-ML中使用光学低通滤光片（请参阅表格映美精彩色相机（带红外滤光片）。

上图左图为不带摩尔效应的原始图像，中图为出现摩尔效应的图像，右图为使用OLPF后的效果，可以看出使用OLPF后虽然去除了摩尔效应，但图像清晰度有一定的下降，本次使用的相机型号为DFK 31BF03-Z2.H，为一款主要面向高精度应用的相机，因此在部分场合下可以观察到摩尔效应，如下图：

图片中的实物为一块黑色纺织品，右图为其局部放大图，从图中能够看出原本黑色的纺织品出现了彩色斑纹，但该纺织品的纹理（黑色与其它颜色组成）却能够清楚地呈现在图像中。

第一节      色彩格式

色彩格式定义的是数字图像数据流中的“颜色”这一信息的编码形式。因为缺乏标准，这一编码衍生出了很多格式。很多情况下，它们仅仅是名字上的不同而已。映美精以www.fourcc.org网站所提供的术语为基础命名自己的色彩格式。

单色相机：

映美精的单色相机采用Y800格式，该格式为每个像素提供256个灰度级。

彩色相机（色彩插值关闭）

从纯技术的角度讲，在此模式下运行的相机也提供Y800格式。但这常常使人产生一个误解：尽管在单色模式下使用“传统”彩色相机（例如映美精相机中的低价系列D××21F04），但这些相机仍对图像进行色彩插值处理而且输出的只有亮度值。

在单色模式下使用映美精新式相机（Dxx21AF04，Dxx31AF03，Dxx41AF02，Dxx21BF04，Dxx31BF03，Dxx41BF02），色彩插值是关闭的。在这种情况下，格式Y800就意味着输出是未经加工的数字图像。

上图左图为按Y800格式保存的未加工数字图像，右图为该图像局部情况。

为了避免误解，映美精在其彩色FireWire相机的驱动程序中都附带提供一种版权私有的格式BY8(RAW)。这种格式的图片保存时是单色图像，但可通过Debayer还原为彩色图像。

下图左图为把原始数据图像经过Debayer还原后得到的彩色图像，右图为局部情况。

彩色相机（色彩插值开启）：

如色彩插值模式开启，映美精彩色FireWire相机将使用UYVY格式。该格式为每个像素提供256个灰度级（Y），同时将具有256级色彩值的U色与V色等量交替分布于所有像素中。

低价彩色相机DFK 21F04, DFM 21F04 及 DFM 21F04-ML还提供Y411格式。该格式给每个像素提供256个灰度级（Y），同时将具有256级色彩值的U色与V色等量交替分布于一半的像素中（每4个像素中出现一次U色和V色，其余两个无U或V的信息）。

小结：通过以上内容，我们看出映美精在图像记录方式上给用户留下了很多选择余地，用户可以依据自己的实际需要酌情选择图片或视频记录方式，而以上各种功能的实现均能够通过IC Capture软件轻松实现，因此在图像分析及图像记录时，映美精相机将成为一项不错的选择。关于映美精相机操作方面的内容，读者可参考《德国映美精工业相机探秘(一)》一文，其它术语或内容如有不懂的地方，可参考视觉网上的相关文章。

德国映美精工业相机探秘一共八集，更多精彩请随时关注：

德国映美精工业相机探秘(一)-初探德国映美精DFK 31BF03-22.H 1394接口伸缩工业相机

德国映美精工业相机探秘(二)-拜尔算法在映美精工业相机中的应用

德国映美精工业相机探秘(三)-获取最清晰的图像

德国映美精工业相机探秘(四)-映美精彩色相机工作原理

德国映美精工业相机探秘(五)-

德国映美精工业相机探秘(六)

德国映美精工业相机探秘(七)-天文观测领域中的映美精相机

德国映美精工业相机探秘(八)

感谢以下品牌对本次评测的大力支持：
机器视觉光源提供商：The Imaging SourceDFK 31BF03-22.H标配

工业相机提供商：The Imaging Source

工业镜头提供商：The Imaging SourceDFK 31BF03-22.H内置

软件提供商：The Imaging Source
感谢以下公司及个人对本次评测的大力帮助：
http://www.theimagingsource.com/zh_CN/
尤其感谢http://www.theimagingsource.com/zh_CN/市场部经理孙潇先生、及The Imaging Source公司领导对我们评测的支持，他们在得知中国视觉网评测试用该公司相机计划之后，在短短2周的时间由德国直接向www.china-vision.net提供了该公司全新的DFK 31BF03-22.H 1394接口伸缩工业相机、配件、软件一套，在评测过程当中遇到的所有咨询问题我们发出邮件在最短时间内给予了详细的解答回复。他们的专业精神和及时的技术支持服务令我们的评测工作非常顺利。

免责声明：本评测得出的所有数据、图片及文字只供一般资讯和学习、讨论之用，都依据文章提到的品牌产品选取的实验品按照本文声明的实验环境搭建试验得出的结果和数据。不做为任何企业、团体、机构、个人实验、选用、舍弃文中所有涉及品牌产品的依据及进行任何形式、任何方面使用的依据。www.china-vision.net及所属机构不对任何企业、团体、机构、个人购买所有涉及品牌产品产生的任何正面、负面结果负任何形式的法律责任。
法律声明：本文章涉及所有文字、图片、数据受中华人民共和国《著作权法》及其它相关法律法规保护，任何单位、组织机构、个人未经www.china-vision.net授权不得转载、部分选用，及其它任何形式的更改。除www.china-vision.net授权外任何企业、机构、个人不得用于任何商业用途。授权联系邮箱：machinevision@qq.com;
www.china-vision.net法律顾问：北京市中逸律师事务所 胡居洪 合伙人律师  简介：
http://www.china-vision.net/diy/falvguwen/lvshi2.htm