可用于数码相机的新型滤色器研究

    1　引　　言

    世界科技发展的一个主要特征体现在数字技术的发展方面,目前相关数字技术的应用已经渗透到社会生活的各个领域。在互联网及高清晰度电视等数字化传输技术和数字化显示技术快速发展的同时,作为获得数字图像的数码相机也得到了飞速的发展。

    数码像机技术改进的一个重要方面是提高分辨率。现在,一般数码相机成像器件上的像素数已达百万以上,但其分辨率仍不及胶卷,当图像稍做放大时,这一缺点就显现出来。解决办法主要是更多像素的成像器件的开发,即依赖于微电子技术的突破,而本文讨论的是另一个发展的途径——成像器件的彩色滤波器格式的改进。

    目前的数码相机一般都采用单片成像器件作为图像接收器,有CCD和CMOS器件两种,其滤色器沿用了单管摄像机的Bayer棋盘格[1,2]格式,滤色器的作用是使成像器件接收到滤波后的光强度信号,而彩色图像是由相应的芯片对强度信号解码后得到的。Bayer型滤色器(图1)由红绿蓝(RGB)三原色滤色片排列而成,红绿蓝滤色片对采集面的分割进一步降低了红绿蓝的采样频率,从而限制了获得红绿蓝信号的上限频率。本文的目的是找到一种新型的滤色器格式,挖掘能的分辨率在成像器件制造水平相同(即像素数目相同)的情况下仍然有所提高。

    2　Bayer型滤色器

    彩色成像器件是在黑白成像器件光接收面上镀上一层滤色薄膜而成,目前滤色器多采用Bayer棋盘格格式,其由红绿蓝三原色滤色片按一定方式排列而成(如图1所示)。这种滤色器的每一行上只有两种滤色单元,或者是G、R,或者是G、B,在保持图像彩色均匀性的同时,增加G光的采样点数目,这样的排列方式是考到在一般的彩色电视接收机设计中,多是基于人眼对红色和蓝色分辨力低的特点。

    彩色图像信号可以看成为RGB三原色三个通道强度信号的叠加(这里的彩色图像信号是经过像元积分平滑作用[3]后的信号),即:

frgb(x,y)=fr(x,y)R+fg(x,y)G+fb(x,y)B (1)

    彩色信号在经过Bayer滤色器后,由成像器件接收到滤色后的离散强度信号,由于RGB滤色片在空间上是分离的,因此可以从接收的强度信号分离出RGB三通道各自的离散强度信号:

    式中　m、n——水平方向和垂直方向的像元数目

    a——每个像元的大小

    为分析方便,设每个像元为正方形,设与像元采样对应的空间频率为fs(fs=1a),则RGB三通道离散信号的频谱在频谱面上呈周期分布:

    它们在各自频谱面上的分布位置及在不出现频谱混叠时可能的最大频谱范围如图2(a、b、c)所示,可以看出,在不出现频谱混叠时,R信号的上限频率为fs/4、G信号的上限频率为: 2 fs/4、B信号的上限频率为fs/4。由此可见,提高G光的采样点数目,使G信号的上限频率是R、B信号的约1.4倍。这样在由低通滤波解码得到的R、G、B信号中,只有G信号中包含图像频率较高的细节部分,这符合人眼对绿光敏感而对红蓝两色分辨率低的生理特点,但对R、B信号上限频率的较大限制,使当彩色图像中红蓝成分较多时,得不到分辨率较高的图像。