彩色编码摄影及光学数字彩色图像解码

　彩色编码摄影及光学数字彩色图像解码 贵州民族大学 《信息光学》 彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码 学 院 计算机与信息学院 专 业 光 信 息 班 级 09 光 信 息 姓 名 张 家 文 学 号 200907040054 指导教师 葛 一 凡 老 师 2012年6月14日 1 彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码 张家文 摘要:光学信息处理可完成对二维图像的识别、增强、恢复、传输、变换、频谱等。从物理光学的角度，光学信息处理是基于傅立叶变换和光学频谱分析的综合技术，通过在空域对图像的调制在频域对傅立叶频谱的调制，借助空间滤波的技术对图像进行光学/数字编码解码处理，使其还原出来的图像。 关键词:信息处理 傅里叶变换 频谱 编解码 2 目录 一研究背景..................................4 1 传统彩色摄影.................................4 2 数码的成像方法...................................4 3 分色记录彩色影像的方法...........................5 数字彩色图像解码系统..........6 4 彩色编码摄影和光学/ 二 彩色编解码原理...........................9 1 彩色编码..................................9 2 光学法彩色解码 ..................................10 3 计算机数字解码............................11 三 课题内容.................................13 1 光学解码..................................13 2 数字解码..................................16 四 课题总结................................18 五 参考文献................................19 3 一 研究背景 从古至今，人们采用了许多办法来记录人们所需要的信息，对物体形状，颜色的记录也有许多的方法，例如 1、传统彩色摄影方法 图1 传统的彩色摄影胶片结构 我们常用的彩色摄影胶片是将卤化银颗粒均匀分散于明胶中，制成照相乳剂，它在摄影过程中起感光作用，再将制得的照相乳剂涂布在高分子材料的片基上形成彩色胶片，其基本结构如上图所示。一般的彩色胶片由三个主要感光乳剂层 (major photosensitive layers) 组成，分别对三原色敏感，同时每个主要感光乳剂层大致上又由三层组成，它们分别具有高中低不同的感光度。这样，彩色胶片就由十层以上的感光乳剂层组成，一层一层相互覆盖形成一个三维的感光体系。换句话说，这样的彩色胶片就可以捕捉到在较大动态范围内的全色影像。 2、数码的成像方法 目前数码感光器件分为CCD和CMOS两大类。CCD称为电荷耦合半导体器件，CMOS称为互补型金属氧化物场效应器件，它们都是半导体器件，其工作原理没有本质的区别。它们在数码照相机 4 中的作用是把影像的光信号转变为电信号并分别寄存起来，在外加扫描信号的作用下传输出去，最后经过各种运算转换为图像的数码文件。光线透过镜头射入半导体，光子被半导体吸收，这样光学图像在感光单元上转换成为与光学图像中各相应像素上光照成正比的电荷包，每个电荷包就是图像的亮度信息，最后通过暂存区和信号读出寄存器把信号通过中央处理器进行信号处理后传输到存储器。一个好的影像传感器如果能够使得感光单元占据更多的比表面积，那么它的效率越高，再生像的准确度也越高。数码图像传感器利用感光单元来接受光线的强度，但对光线的色彩没有识别能力。为了让它感知色彩，现在的常规做法是在每个图像传感器单元的前面加上滤色镜，这又可以分为原色RGB滤镜和补色CMYG滤镜两种，这种技术被称为马赛克技术(Mosaic)。 下面以RGB原色滤镜为例，其基本原理如图2所示，红色滤色镜只能通过红色成分光线而拒绝其它颜色光线通过，同样蓝色滤色镜只能通过蓝色成分光线。这样红、绿、蓝滤镜有规律的严格排列，通过这种方式在所有感光单元前都加上滤色镜。再编制一个工作程序，使得照相机CPU中央处理器知道每个感光单元对应的位置，这样每个感光单元就有了一个加权排列序号，输出的信号中不但包括色彩信息和亮度信息，同时还包括位置信息。最后所有这些加权图像信息汇总后由图像处理引擎运算得出一个复原图像，也是我们最后获得的照片信息。这个色彩计算过程就是我们所谓的插值，可以说数码相机的色彩还原完全是根据设计者的软件编制方法把原始景物的色彩信息计算出来的。 图2 RGB原色滤镜基本原理 3、分色记录彩色影像的方法(黑白胶片作记录介质) 传统的用黑白胶片拍彩照是利用三原色的分色原理。用三种原色(红、绿、蓝)的滤光镜分别拍摄三张黑白照片(分色照片)[1]的底片，分别取得被摄物的三原色信息。再进行合成印刷，即可 5 以将色彩还原，得到与被摄物色彩一致的彩色照片。这一方法也 [2]是分色印刷和印染法技术的基础。其基本原理如下图3所示。 (a) (b) 4、彩色编码摄影和光学/数字彩色图像解码系统 彩色编码摄影和光学/数字彩色图像解码系统是基于光学信[3]息处理技术，也就是是基于傅立叶变换和光学频谱分析的综合技术，通过在空域对图像的调制，在频域对傅立叶频谱的调制，借助空间滤波的技术对光学信息(图像)进行处理的彩色图像记录系统。通过用特殊的三色光栅编码器对物函数的颜色调制(编码)记录彩色信息，再将编码的物函数通过4f光学处理系统的傅里叶变换和频谱面上的彩色滤波得原物的彩色图像。 光学信息处理的理论基础是阿贝(Abbe)二次衍射成像理论 6 和著名的阿贝-波特(Abbe-Porter)实验。阿贝成像理论认为，物体通过透镜成像过程是物体发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅禾费衍射的光场分布，即得到第一次衍射的像(物的傅里叶频谱);然后该衍射像作为新的波源，由它发出次波在像面上干涉而成物体的像，称为第二次衍射成像，如图4所示。 图4 阿贝成像理论示意图 进一步解释，物函数可以看作由许多不同空间频谱的单频(基元)信息组成，夫琅禾费衍射将不同空间频率信息按不同方向的衍射平面波输出，通过透镜后的不同方向的衍射平面波分别汇聚到焦平面上不同的位置，即形成物函数的傅里叶变换的频谱，频谱面上得光场分布与物函数(物的结构)密切相关。不难证明，夫琅禾费衍射过程就是傅里叶变换过程，而光学成像透镜即能完成傅里叶变换运算，称傅里叶变换透镜。 阿贝成像理论由阿贝-波特实验得到证明:物面采用正交光栅(网格状物)，用平行单色光照明，在频谱面放置不同滤波器改变物的频谱结构，则在像面上可得到物的不同的像。实验结果表明，像直接依赖，只要改变频谱的组份，便能改变像。这一实验过程即为光学信息处理的过程，如图5所示。 7 如果对物或频谱不进行任何调制(改变)，物和像是一致的，若对物函数或频谱函数进行调制处理，由图5所示的在频谱面采用不同的频谱滤波器，即改变了频谱则会使输出的像发生改变而 得到不同的输出像，实现光学信息处理的目的。 图5 阿贝-波特实验 典型的光学信息处理系统为如图6所示的4f傅里叶变换系统:光源S经扩束镜L产生平行光照射物面(输入面)，经傅里叶透镜L1变换，在其后焦面F处产生物函数的傅里叶频谱，再通过透镜L2的傅里叶逆变换，在输出面上将得到所成的像(像函数)。 8 图6 4f光学信息处理系统 光学彩色编码摄影和彩色图像的解码实验:是根据南开大学现代光学研究所母国光等人的发明专利“用黑白感光片做彩色摄影的白光光学信息处理技术”编排的，是基于上述傅里叶变换和频谱滤波的原理，通过用三色光栅编码器对函数的颜色调制(编码)记录彩色信息，在将编码的物函数通过4f光学处理系统的傅里叶变换和频谱面上的彩色滤波得到原物的彩色图像。实验内容不但包括了现代光学中光信息的传递、变换、编码、解码、滤波、记录、恢复、显示、运算，而且涉及几何光学、物理光学、色度学及计算机图像处理等理论和技术。 二 彩色编解码原理 1 彩色编码 彩色编码是利用三色光栅对物函数作空间调制，即对图像的不同颜色进行空间彩色编码。让景物的不同颜色部分在黑白底片上呈有不同方向的光栅条纹。这一编码过程是由三色光栅编码器实现的，现称为TOCM(全光彩色调制器)，图7为三色光栅示意图，它是由三个不同取向的红黑、绿黑和蓝黑光栅迭加在一起构成的彩色网屏。当对彩色景物编码拍摄时，三色光栅与黑白底片紧密接触，通过三色光栅的彩色信息在黑白底片上被光栅编码，即景物的红色部分在底片上有水平方向条纹，绿色部分有垂直方向条纹，蓝色部分有斜方向条纹，其他颜色为某两个取向或三个取向的条纹迭加编码，如图8为彩色编码示意图。拍摄采用该三色光栅编码器，一次拍摄即可完成全彩色编码。这一步称为彩色编码照相，即用光栅调制的物理方法记录彩色信息，而不是用彩色胶片的化学方法记录彩色信息。 9 图7 三色光栅示意图 图 8 彩色编码示意图 三色光栅的数学表达式为: ,,11111，，，，，，,，，，，，T(x,y)ksgn(cospx)sgn(cospx')sgn(cospx''),,T000,,,,,,22222，，，，，，RGB,, 10 cos(px),00,1,sgn(cospx)0,,1cos(px),00其中 、、、P为三色光栅的空间抽样频率，x,x和x为红、绿、蓝三种0 光栅的取向。 2 光学法彩色解码 光学法彩色解码就是将黑白编码片置于如图9所示的4f光学解码系统的输入平面P1处，则可通过该光学系统还原出原景物的彩色图像。其解码过程是:自白光点光源发出的光经准直透镜产生平行光，照射在置于输入平面上的黑白编码片上，经过白光傅里叶变换透镜在其焦平面上产生其频谱，对三个衍射方向一级频谱分别进行红、绿、蓝滤波后，便在输出像面再现出原景物的彩色图像。 黑白编码片 频谱滤波 解码彩色图像 图9 4f光学彩色图像解码系统 将黑白编码片置于如图6所示的4f光学解码系统的输入平面P，设其振幅透过率t，则在P平面上得到它的频谱: 1p2 ,,1nf'',,,,,,,,,，,，,，E(p,q,)Ct(x,y)expi(pxqy)dxdyT(,)aT(P,)T(,),,,prnrg0,,π22n1, ,,,,1nf1nf'''''''''，,，，，,aT,(P,)T,(,,)aT(,P,,),,ngnb0b0ππ2222nn,1,1 在P平面取R,G,B的1级谱，n=1而遮蔽其余各项谱 ---称2 彩色滤波。并通过L的傅里叶变换，于系统的输出平面P得: 23 22''2'''',,,,,,I,(x,y),T(x,y)，T(x,y)，T(x,y) rgbRBG 11 此即还原的彩色图像。光学的解码方法具有快速、直观和并行的特点。实验中采用一个傅里叶变换透镜，在频谱面进行滤波后，直接在像面还原出彩色图像。由于该彩色图像的光强较弱，为了看得更清楚，则采用一个场镜将其成像在CCD表面并用彩色监视器显示解码后的彩色图像。 3 数字解码 实际的白光解码系统是一个须经特殊设计的相当复杂的光学系统，它对像差等各种指标都很高。采用数字计算机解码代替光学系统进行解码，它有处理手段灵活、方便，系统组成简单，硬件系统只需普通扫描仪和微机组成，便于推广应用，图10给出数字计算机解码实验流程图。 把黑白编码片记录的信息用扫描仪输入到计算机内，根据光学信息处理的解码原理，在计算机内对黑白编码图像进行傅里叶变换、彩色滤波、逆傅里叶变换及图像的合成，最后由彩色监视器或彩色打印输出彩色图像。 计算机系统 数字图像 MxN图像预处理 胶片扫 计算机解码描仪 图像处理黑白编 码片 显示器显示 打印机图像 图10给出数字计算机解码实验流程图 图像 首先将黑白编码片记录的信息用扫描仪输入到计算机内，根据光学信息处理的解码原理，在计算机内对黑白编码图象进行傅立叶变换、彩色滤波、逆傅立叶变换及图像的合成，最后由彩色监视器或彩色打印机输出彩色图像。其软件解码过程框图11如下: 12 数字化 校正 傅里叶变换 滤波器1滤波器2滤波器3 逆傅里叶变换逆傅里叶变换逆傅里叶变换 彩色合成 图11 软件解码过程框图 利用在普通胶片照相机的片门处加装了三色光栅编码器的彩色编码照相机，将彩色景物实时地编码记录在黑白胶片上，再将黑白胶片反转冲洗，便可得到含有彩色信息的黑白编码片。光学解码是将置于彩色图像光学解码系统(白光信息处理系统)的输入面上，用平行白光照射，经过傅氏变换透镜后，在其谱面上与红，绿，蓝的一级频谱相应的位置进行滤波，进而在系统的输出面就可以得到与原景物一样的彩色图像。计算机数字解码是将黑白编码片记录的编码图像通过图像扫描仪输入到计算机内，采用编制的快速傅立叶变换程序，进行解码运算后，在显示屏上或通过彩色打印机输出原景物的彩色图像。如果在黑白CCD的表面加装三色光栅编码器，并将黑白CCD与计算机连接，进行彩色编码摄像，将所摄的图像信息实时地采集到计算机内，再对所采集的编码图像进行数字解码运算，可得到与原景物一致的彩色影像。 三 课题内容 1 光学解码 (1)按照图12所示的实验光路设置好系统 13 图12是实验光路设置图 按照图光路设置的实际光路图如图13所示: 14 图13为实验时的光路图 (2)将黑白底片置于系统的输入面处，将红、绿、蓝三基色频谱滤波器置于频谱面处，使对应景物的红、绿、蓝一级频谱通过滤波器相应的红、绿、蓝部分。在彩色监视器上可看到解码后的彩色图像。 第一次观看到的图像如图14所示: 15 图14 第一次观察到的图像 我们从监视器上观看的图像不太清晰，且图像不能在监视器的正中央显示。可能的问题有:?光路上各个仪器是否在同一条直线上。?光路通过聚光镜后有所偏离，光没有正好通过小孔滤波器和准直镜射入输入面。?放置在光路上的各个仪器的4f系统进行定位是有误差。 我们分析了这些问题可能会所引起，光学解码所成的图像不清晰和图像的显示不在较好的位置。我们对光路进行改进使其光路尽可能的在一条直线上，与小孔滤波器对准以及仪器的4f系统更准确和相应的调试之后得到如图15所示的图像。我们看到调整后的图像清晰度相对于第一次的图像来说有了很明显的变化。 16 图15 监视器显示图像 调整后图像显示清晰了许多，但是不足的地方是图像显示不在监视器的正中央，而且图像的清晰度不是很高。可能是环境和仪器影响，这是我们实验之后还需改进的地方。 2 数字解码 (1)将黑白编码片记录的彩色编码图像用扫描仪以灰度模式扫描输入到计算机内，扫描分辨率的设置应大于2000DPI，用BMP将扫描的黑白图像存储到微机硬盘中;CCD采集传输到计算机上得图像如图16所示。 图16 黑白图像 17 (2)打开解码软件“数字解码”软件，出现如下图所示的界面; (3)打开要解码的黑白编码图像; (4)单击工具栏中“P”解码参数; (5)扫描频率的设置应与扫描时所用分辨率一样; (6)单击设置参数中的“参考”和属性的设置如下图所示; 18 (7)单击设置参数中的“确定”; (8)单击数字解码软件中的“确定”; (9)单击数字解码软件中“D”超快解码，则在监视器上呈现出解码的彩色图像，如图18所示。 如图18 数字解码图像 四 课题总结 这次课题让我了解了传统的彩色摄像、数码成像、光学/数字彩色编码和解码。传统的彩色摄像有很多的局限性且图像的清晰度不高，而光学解码是将置于彩色图像光学解码系统的输入面上，用平行白光照射，经过傅氏变换透镜后，在其谱面上与红，绿，蓝的一级频谱相应的位置进行滤波，可以在系统的输出面就可以得到与原景物一样的彩色图像。计算机数字解码是将黑白编码片记录的编码图像通过图像扫描仪输入到计算机内，采用编制的快速傅立叶变换程序，进行解码运算后，在显示屏上或通过彩色打印机输出原景物的彩色图像。如果在黑白CCD的表面加装三色光栅编码器，并将黑白CCD与计算机连接，进行彩色编码摄像，将所摄的图像信息实时地采集到计算机内，再对所采集的编码图像进行数字解码运算，可得到与原景物一致的彩色影像。本次课题中由于光路的准直、滤波器和准直镜是否对准及环境和仪器等引起最后图像的清晰度不高和有一些失真。 19 五 参考文献 [1]母国光、方志良等，用三色光栅在黑白感光胶片拍摄彩色景物，仪器仪表学报, 1983, 4:124. [2]母国光、方志良等，用黑白感光胶片做彩色摄影术，中国专利 CN1003811B E28,1989. 21-25. [3]梁瑞生、吕晓旭，《信息光学》，电子工业出版社，2008， [4]罗罡等，基于白光信息处理的光学/数字彩色摄影术，《中国科学》30卷3期222-229, 2000年6月 20 21