图像信息的光电变换
图像光电转换的基本过程
图像光电转换的基本过程电视图像的传送是基于光电转换原理，而实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。
1. 图像的分解电视系统处理和传送的对象是光的景物，景物存在于三维空间，其光学特性（即景物的亮度和色度信息）不仅随空间位置的不同而不同，而且还与时间有关系（静止景物除外）。
因此，景物信息是三维空间和时间的函数，可用光学信息表达式为：。
但是目前的电视系统仍为平面彩色电视，只传输景物的二维光学信息，因此上式中的z可不考虑。
另外，这里仅讨论黑白平面活动图像，只需传输各像素的亮度信息，其光学信息表达式简化为：。
但是，亮度仍然是x、y、t的三维函数，而经传输通道传送的电信号为电压（或电流），只能是时间的一维函数为：。
实现转换的方法是：将景物信息分解成很多小点，这样就能以每个小点为单位进行光电转换和传送。
因此，对于每个小点来说，其光学特性以及经光电转换得到的电信号就只与时间有关了，也就是将景物信息转化成时间的一维函数。
将景物图像化整为零的方法称为图像的分解，分解之后的小点称为像素。
所谓像素，就是组成图像的元素，即基本单位，具有单值的亮度信息和空间位置。
一幅电视图像由许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。
在我国的黑白广播电视标准中，一幅图像包含大约40～50万个像素。
图像的结构—导学。
图像的分解是在摄像端的光电转换和扫描过程中完成的。
在接收端，通过显示装置的扫描和电光转换作用，这些被分解的像素又会在屏幕上合成出原来的图像，从而实现电视的全过程。
2.图像的传送一幅图像由许多像素组成，这些像素的亮度信息经光电转换之后变成相应的电信号。
电视系统的任务是将各像素的变换成, 实现转换的方式，有同时传输制和顺序传输制。
●像素信息同时传输制将构成一幅图像的所有像素同时转换成电信号，并同时传送出去称为同时传输制，同时传输制所示，每个像素均需占用一条传输通道，一帧画面分解成几十万个像素就需要几十万条通道，这在技术和经济上都是不现实的。
光电成像原理与技术考试要点概要
光电成像原理与技术考试要点第一章：1. 试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
答:[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系，通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题[2] 收到的限制：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。
对波长超过毫米量级的电磁波而言，用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外，用于成像的电磁波也存在一个短波限。
通常把这个短波限确定在X射线（Roentgen射线与y射线（Gamma射线波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
2. 光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？光电成像技术突破了人眼的哪些限制？答:[1]应用:（1人眼的视觉特性（2各种辐射源及目标、背景特性（3大气光学特性对辐射传输的影响（4成像光学系统（5光辐射探测器及致冷器（6信号的电子学处理（7图像的显示[2]突破了人眼的限制：（1可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力（2可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力（3可以捕捉人眼无法分辨的细节（4可以将超快速现象存储下来3. 光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？答:［1］直视型:用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分,可直接显示输出图像，通常使用光电发射效应，也成像管.［2］电视型:于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应，不直接显示图像.4. 什么是变像管？什么是像增强器？试比较二者的异同。
答:［1］变像管:接收非可见辐射图像，如红外变像管等，特点是入射图像和出射图像的光谱不同。
［2］像增强器：接收微弱可见光辐射图像，如带有微通道板的像增强器等，特点是入射图像极其微弱，经过器件内部电子图像能量增强后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像。
第8章 光电成像系统上
光 扫 电 描 成 型 像 器 件 成 像 扫 描 型
像增强管（ 像增强管（图 像强度的变换） 像强度的变换）
主要由像 敏面、 敏面、电 子透镜＆ 子透镜＆ 显像面构 成
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8.3 光电成像原理与电视制式
8.3.1 光电成像原理
二维光学图像 二维电气图像 一维视频信号
二维光学图象
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摄像机的基本构成
镜头、话筒、机身、寻像器、电池盒等 镜头、话筒、机身、寻像器、 镜头（ 镜头（Lens)
聚焦环（Focus )； 变焦 (Zoom ) ：手动与自动 ；变焦倍率：15、17、16倍； 微距(Macro )；光圈(Iris )
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2009年诺贝尔奖物理学奖得主 年诺贝尔奖物理学奖得主
Fig.1贝尔实验室 贝尔实验室George 贝尔实验室 Smith和Willard Boyle将可视 和 将可视 电话和半导体存储技术结合 发明了CCD原型 发明了 原型
高锟——光纤之父 高锟——光纤之父
博伊尔&史密斯 博伊尔 史密斯—— 史密斯 发明CCD图像传感器 发明 图像传感器
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Hale Waihona Puke 摄像机结构1、光学系统（主 光学系统（ 要指镜头） 要指镜头） 2、光-电转换系统 （主要指摄像管或 固体摄像器件） 固体摄像器件） 3、信号处理系统 （主要指视频处理 电路） 电路） 4、自动控制系统 5、录像系统 6、附件
无人机传感器与检测技术 项目三 图像传感器认知
任务实施
1)实验室准备如图3-8所示的OV7670CMOS 图像传感器模块。 2)熟悉OV7670图像传感器模块，查阅资料， 汇报OV7670图像传感器的特性及各引脚含 义。 3)查阅资料，收集CMOS图像传感器模块的 种类、性能参数等资料，并填写表3-2。
图像清晰 不会烧伤感光面
CCD电容器阵列
移位寄存器
光敏元器件与移位寄存器分离式结构
单读式
光敏单元 转移栅
输出
移位寄存器
双读式
移位寄存器1 转移栅
移位寄存器2
输出 光敏单元
2048位MOS电容器线阵CCD内部框图
线阵CCD图像传感器的应用
扫描仪
字符识别
面阵CCD图像传感器的应用
数码摄像机
知识拓展
测量玻璃管的 直径与壁厚
2）作为光学信息处理装置的输入环节，可用于传真技术、 光学文字识别技术以及图像识别技术、传真、摄像等方面。
字符识别
车牌识别
3）作为自动流水线装置中的敏感器件，可用于机床、自 动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。
4）可作为机器人的视觉。
CCD图像传感器应用实例 医疗
项目三 图像传感器认知
图3-1 南半球上方火星影像
图3-2 北半球上方火星影像
项目描述
云台相机是航拍无人机不可或缺的设备之一，而图像 传感器则是云台相机的核心部件。图像传感器又称感光元 件，是利用传感器的光-电转换功能，将其感光面上的光信 号图像转换成与之成比例的电信号图像的一种功能器件。
固态图像传感器是由在单晶硅衬底上布设若干光敏单 元和移位寄存器集成制成功能化光电转移器件，光敏单元 也称为像素。一般可分为两种，一种是CCD，一种是CMOS。 无人机上搭载的云台相机一般为CMOS图像传感器，如DJI Inspire 2、DJI Phantom 4A/4P、Xiro Xplorer 4K上的云台相机 都搭载CMOS图像传感器。
光电信号处理方法
光电信号的增强
光电信号的增强主要通过光电倍增管、 雪崩二极管等器件实现，这些器件可 以在放大信号的同时，进一步提高信 号的信噪比。
增强后的光电信号可以更好地满足后 续处理的需求，提高整个光电系统的 性能和可靠性。
03 光电信号的数字化处理
数字信号处理的基本概念
数字信号
将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
小波变换
将信号分解成不同频率的子信号，可以对信号进行多尺度分析。
04 光电信号的调制与解调
调制与解调的基本概念
调制
将低频信号转换为高频信号的过程， 以便传输或处理。
解调
将调制后的高频信号还原为低频信号 的过程。
模拟调制技术
AM（调幅）
通过改变载波的振幅传递信息。
FM（调频）
通过改变载波的频率传递信息。
微型化
利用人工智能和机器学习等技术，实现光 电信号处理的智能化和自主化。
随着微纳技术的发展，光电信号处理将朝 着微型化的方向发展，实现更小体积、更 低功耗的系统。
02 光电信号的采集与预处理
光电信号的采集
1
光电信号的采集是光电信号处理的第一步，其目 的是将光信号转换为电信号，以便后续处理。
2
常用的光电信号采集器件包括光电二极管、光电 晶体管、光电池等，它们能够将光信号转换为电 流或电压信号。
光电信号处理
利用电子学和信息处理技术对光电信号进行采集、传 输、转换、增强、分析和理解的过程。
光电信号处理的应用领域
光学通信
利用光电信号处理技术实现高速、大容量的信息 传输。
环境监测
利用光电信号处理技术实现对大气、水质等环境 参数的实时监测。
ABCD
生物医学成像
显示与成像知识点
▪试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
▪2、光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？▪3、光电成像技术突破了人眼的哪些限制？▪4、光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？▪5、怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？人眼的视觉缺陷第一，有限的视见光谱域（光谱的限制）看不见红外图像和紫外图像第二，有限的视见灵敏域（灵敏度的限制）光线太暗的地方能见度不高第三，有限的视见分辨率（分辫力的限制）目标太小了看不清楚第四，对视觉信号无记忆能力（时间上的限制）看过但是不记得有效的波谱区是:亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、射线、射线等。
将波动方程应用于讨论电磁波成像就可知，只要像空间两点的距离大于衍射极限，即可分辨其间的光强分布，也就是能构成图像信息。
根据简化的电磁波衍射理论模型，两个像点间能够被分辨的最短距离为d，它等于式中，是电磁波的波长，是电磁波在像空间的介质折射率，是电磁波在像方的会聚角。
从这一衍射公式可知：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。
因此对波长超过毫米数量级的电磁波，如果用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
所以基本上排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阈的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降而限制了长波的电磁波用于成像而外，同时用于成像的电磁波也存在一个短波限制。
通常把这个短波限确定在射线(Roentgen)与射线(Gamma)的波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
光电成像器件按其工作方式可分为：直视型非直视型(扫描型或电视型)在非直视型光电成像器件中，又可根据其工作原理区分为以下几种。
第一种是光电摄像器件。
第二种是光电导摄像器件。
第三种是光电增强型摄像器件。
第四种是热释电摄像器件。
第五种是电荷耦合摄像器件。
第六种是通过光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列。
浙江传媒学院广播电视概论 第七章模拟电视基础小结
第七章模拟电视基础小结一、像素：组成图像的基本单元。
每个像素具有单值的光特性（亮度和色度）和几何位臵。
像素亮度既是空间（二维）函数，同时又是时间函数。
二、顺序制传送：按一定顺序将一个个像素的光学信息轮流转换成电信号，用一条传输通道依次传送出去，在接收端的屏幕上再按同样的顺序将电信号在相应的位臵上转换成光学信息。
特点：（1）发送端和接收端各有一个转换开关。
（2）转换开关用电子方法实现的，有很高的接通速度。
（3）收、发两端开关的接通要同步，保证图像的正确重现。
三、扫描：电视系统中顺序分解像素和综合像素的实现过程。
将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程（或逆过程）。
1、隔行扫描：指将一帧电视图像分成奇数场和偶数场两场来扫描，奇数场扫描画面的奇数行，偶数场扫描画面的偶数行，奇数场和偶数场图像嵌套在一起形成一幅完整的图像。
2、隔行扫描优点：（1）克服逐行扫描方式电视信号的带宽过宽。
（2）能在不改变帧频的条件下克服闪烁现象。
3、扫描同步：（1）同频：收发两端的扫描速度相同；（2）同相：收发两端的时空对应关系一致。
4、我国电视标准规定：（1）一帧扫描总行数为625行，其中，帧正程575行，帧逆程50行；（2）采用隔行扫描方式，每场扫描312.5行，场正程287.5行，场逆程25行；（3）场频为50Hz，场周期为20ms；（4）行频为15625Hz，行周期为64μs，行正程时间为52μs ，行逆程时间为12μs ；（5）扫描光栅的宽高比为4:3。
四、摄像器件产生图像信号原理：都是基于电荷储能原理（Charge Storage Principle）。
1、摄像管：利用了光电靶的作用和电子束的扫描来实现光电转换的摄像器件。
2、电荷耦合器件CCD：以电荷的多少代表图像信号的亮暗、以时钟信号控制代替电子束扫描实现图像信号的摄取、光电变换和输出的摄像器件。
CCD工作过程：光输入⇒电荷包存储⇒电荷包转移⇒信号电荷输出五、显像器件1、阴极射线管CRT：利用电子束的强弱随图像信号的大小变化，将一帧时域的图像信号在屏幕上变成一幅平面光学图像的显示器件。
传感器 简答题
1.简述压电式加速度传感器和压电式力传感器在基本结构上的不同点。
答：压电式加速度传感器有一惯性质量块，并通过弹簧压在压电元件上，感受了被测振动的质量块产生的惯性力，使得压电元件受力变形。
压电式力传感器，被测力通过传力元件实现测量，不需要惯性质量块。
2.涡流式位移传感器的涡流大小与哪些参数有关？答：（1）线圈激励电源的频率与幅值。
（2）线圈的几何参数，如匝数、半径等。
（3）金属导体的电阻率、磁导率、厚度等。
（4）线圈与金属导体的距离。
3.图示为电感式压力传感器原理图，图中p为被测压力试说明其工作原理。
答：（1）压力p作用时，膜片变形产生位移，且位移与压力成正比。
（2）膜片与铁芯的距离变化，导致线圈的电感发生变化，电感变化量与输入压力成正比。
4.简述金属热电阻的测温机理。
答：金属导体通过自由电子导电，而导电的实质是电子的定向运动过程。
当温度升高时，金属导体中的自由电子获得了更多的能量，因此使自由电子进行定向运动所需要的电能将增大，导电率减弱，电阻率增大。
反之当温度降低时，导电率增强，电阻率减小。
5.人工视觉系统图像输出装置大致分为哪两类？（1）一类是软拷贝。
（2）另一类是硬拷贝。
6.试回答与干扰有关的下列问题(1)什么是噪声？(2)形成干扰的条件是什么？答：（1）噪声定义为：在一有用频带内任何不希望的干扰或任何不希望的信号。
（2）形成干扰的三个条件为：干扰源、干扰的耦合通道、干扰的接收通道。
7．用框图表示传感器的组成原理，并简要说明各部分的作用。
答：框图如下所示：敏感元件感受被测物理量，且以确定关系输出另一个物理量；转换元件是将敏感元件输出的非电量转换为电路参数及电流或电压信号；基本转换电路将电信号转换为便于传输、处理的电量。
8．在光栅式位移传感器中，光路系统选择的依据是什么?有哪几种光路系统?答：光路系统应根据传感器中所采用的光栅的形式来选择。
光路系统有透射式光路和反射式光路。
9．说明人工视觉系统中图像处理部分的作用。
第八章 图像信息的光电变换2-1节
序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像
素信号的一维输出。因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感 器以自扫描的方式输出一维时序电信号。
监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子束偏
转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周期等参数 进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
(8-1)
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子 束的行扫描速度，记为vhf，式可改写为
f=fx〃vhf
（8-2）
CCD与CMOS等图像传感器只有遵守上 述的扫描方式才能替代电子束摄像管，因
此， CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子束摄像管相同。
8.2.2 电视制式
电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像
当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。 由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征 层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载 流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被 拉向P区。这样，若假定把曝光前本征层两端加有强电场 看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结 果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面 上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成 了图像的变换和记录过程。
传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像 转换成一维时序信号输出出来。这种代表图像信息的一维信号称为 视频信号。视频信号可通过信号放大和同步控制等处理后，通过相 应的显示设备（如监视器）还原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则才能 保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。
光电成像技术
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
总结
面阵CCD：有效光敏面积大，光度灵敏度高， 转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂
CMOS：与CCD相比在光度灵敏度上较差，但 在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD
面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元进描方式：基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上 到下的扫描方式进行扫描
行扫描
场 扫 描
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
扫描：将被分割后的电气图像转换成一维时序信号
不同的图像传感器有各自的扫描方式，例如： 真空摄像管：采用电子束扫描方式输出一维时序信号
二、光电成像系统的原理
然后光首过把电先光视成，电频像光成信系电像号统器部传分件分给为把处显两景理像个物后部部所，分分反成，，射为经光或视过电发频处成射信理像的号后部光输就分信出把和号景显收物像集图部，像分经再现
二、光电成像系统的原理
光学成像部分的原理
二、光电成像系统的原理
上面展示的图片都有一个共同点
像素阵列是整个输出放大电路的核心部分
二、光电成像系统的原理
X当、光Y信向号移到位达寄像存敏器方是阵存时储，方方阵阵中会的产每生一电个信像号敏，单这元个在电X、信Y号方经向过 上放各大自器的，地输址送值 到。调整电路
二、光电成像系统的原理
3.5(zm2011) 光电成像器件
目前世界上只有60英寸以上的显示屏才能够显示出1920×1080
的信号。目前市场上出现的所谓1080p高清数字电视并不能真正给 消费者带来1920×1080的图像，这些彩电只是能够接收和处理
1920×1080格式的信号而已，由于目前电视信号根本无法达到如此
高的标准，1080p对于普通用户基本没有什么实际价值，只是厂家 的一种市场宣传噱头。
SECAM制式（Sé quential CouleuràMé moire）－行轮换调频制 SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩 色信号制，是由法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色 电视制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺点，但采用时间 分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在 法国、东欧和中东一带。
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1970年：美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像
传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描 方式发展成为固体自扫描输出方式。 具有固体器件的所有优点；
自扫描输出方式消除了电子束扫描造成
的图像光电转换的非线性失真，即CCD 图像传感器的输出信号能够不失真地将光
4
The first Philips Iconoscope tube early 1930's. The complete experimental camera for 180 TV lines displayed in the Philips laboratory
http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page4.html
扫描
－－图像的分割与象素
光电图像
电信号
按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷） 信号读出的过程，称为扫描。
光电技术测验
课程名称：实用光电技术专业年级：光机电考生准考证号：考生姓名：试卷类型： A 考试方式: 开卷一、填空题。
（每空1分，共20分）(1)半导体对光的吸收中，只有和能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。
(2)光敏电阻属于器件，广泛应用于信号的探测领域。
(3)光生伏特器件的偏置电路一般有、和等三种。
(4)光电倍增管是一种器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。
(5) 属于热辐射探测器件的有、和。
(6)发光二极管按发光机理常分为与两种。
(7)光电信息变换和信息处理方法可分为两类：一类称为的光电信息变换；另一类称为的光电信息变换。
(8)在CCD中，电荷的注入方法归纳起来可分为和两类。
(9)单元光电信号的二值化处理方法有和。
若使光电检测系统不受光源的影响，应采用二值化处理电路。
二、选择最适当的填入括号中（只填写其中之一的符号, 每题2分，共5题10分）①以下（）不是光生伏特器件。
A．光电三极管B．硅光电池C．PSD D．PMT②当需要定量检测光源的发光强度时，应选用（）为光电变换器件。
A．光电二极管B．光电三极管C．热敏电阻D．硅光电池③发光二极管不能应用于（）场合。
A．数字、文字及图像显示B．指示、照明C．相干光源D．光电耦合④以下（）属于数字量的光电信息变换A．信息载荷于反射光的方式B．信息载荷于光学量化器的方式C．信息载荷于遮挡光的方式D．信息载荷于光源的方式三、问答题（每小题10分，共30分）1、热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？2、为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1？3、全辐射测温属于哪种光电信息变换的基本形式？在这种形式中应采用怎样的技术才能更好地将信息检测出来？四、计算题：1、在卫星上测得大气层外太阳光谱的最高峰值在0.465μm处，若把太阳作为黑体，试计算太阳表面的温度及其峰值光谱辐射出射度M e，s,λm。
CCD是一种光电转换式图像传感器它利用光电转换原理把图...
前言CCD是一种光电转换式图像传感器。
它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号,这样便实现了非电量的电测量。
同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点,因此受到人们的高度重视,在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用[1]。
对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理,是线阵CCD数据采集发展的新方向。
寻找满足要求的处理器已成当务之急。
DSP(数字信号处理器)是一种具有高速性、实时性和丰富的芯片内部资源的处理器,它的出现为人们解决了这个难题。
为了节约成本、减少体积,本文用CPLD控制图像的读入,以TMS320VC5402 DSP作为处理器,并结合CA3318CE A/D转换器介绍一种CCD图像采集处理系统的设计方法。
根据课题研究,将此系统应用于手写体数字的采集和识别中。
如果配以适当的光学系统,便可以实现光-机-电-算一体化设计。
现代图像采集技术发展迅速，各种采集方法已经相当成熟。
本文是一种结合课题设计的数据采集系统，主要用于手写数字的采集。
邮政编码、统计报表、财务报表、银行票据、人口普查表等等，这类信息的核心技术是手写数字。
随着国家信息化进程的加速，手写数字识别的应用需求将越来越广泛，它已成为目前国际上研究的一个热点，具有广阔的应用前景。
研制手写数字识别系统的关键是掌握手写数字图像的采集和识别技术，以往的采集工作都是借助扫描仪、高性能的摄像机和小型机来完成，造价高、体积大而且不易携带。
针对这一问题，本文提出了一种基于CCD的图象采集系统。
1 系统概述本系统主要由线阵CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。
待输入图像经光源照明后,经物镜成像在CCD光敏元件阵列上,CCD通过驱动电路完成一次Y方向的自扫描。
在控制电路的作用下,CCD输出信号进行滤波放大处理,并经A/D转换电路进行数字化处理。
一行图像数据通过数据通道进入帧存储器。
光电图像处理Chapter04_P
⎡qx ⎢q ⎢ y ⎢ 1 ⎣
⎤ ⎡ a 11 ⎥ = ⎢a ⎥ ⎢ 21 ⎥ ⎢ 0 ⎦ ⎣
a 12 a 22 0
tx ty 1
⎤⎡ px⎤ ⎥⎢ p ⎥ ⎥⎢ y⎥ ⎥⎢ 1 ⎥ ⎦⎣ ⎦
⎡ A t⎤ q = H A p = ⎢ T ⎥p ⎣0 1⎦
仿射变换是一种观察方位和视角的变换
光电子科学与工程学院 光电测控技术系 刘斌昺 2010年02月
连通组元在图像分析时通常视作“区域”
光电子科学与工程学院 光电测控技术系 刘斌昺 2010年02月
像素间的距离
距离度量函数 3个象素p，q，r，坐标为(x, y)，(s, t)，(u, v)，若 (1)
( D ( p , q ) ≥ 0 ( D ( p, q ) = 0
两个象素之间的距离总是正的
当且仅当
(x0 , y 0 )
, ( x1 , y1 ) ,…,
(xn , y n )
的 独 立 象 素 组 成 的 。 这 里 1≤I≤n，n 为通
(x0 , y0 ) = (x, y ) , (xn , y n ) = (s, t ) , (xi , yi ) 与 (xi −1 , yi −1 ) 邻接，其中
像素集合的连通
可将图像看作像素的集合。单个像素也是整副图像的一个子集。可以将上 述邻接、连接和连通的概念，推广到像素集合中。 对2个图象子集 S 和 T 来说，如果S中的一个或一些象素与 T 中的一个或 一些象素邻接，则可以说2个图象子集S 和 T 是邻接的。类似的，可以推 广到连接和连通。 完全在一个图象子集中的象素组成的连接通路上的象素集合构成该图象子 集中的一个连通组元。如果 S 中只有1个连通组元，即 S 中所有象素都互 相连通，则称 S 是一个连通集。
信息光学中的傅里叶变换
傅里叶变换的物理意义
频域分析
通过傅里叶变换可以将信号从时域转换到频域，从而可以分析信号的频率成分 和频率变化。
时频分析
傅里叶变换可以用于时频分析，即同时分析信号的时域特性和频域特性，对于 非平稳信号的处理尤为重要。
信息光学中的傅里叶变换
目 录
• 傅里叶变换基础 • 信息光学基础 • 傅里叶变换在信息光学中的应用 • 傅里叶变换的实验实现 • 傅里叶变换的未来发展与展望
01 傅里叶变换基础
定义与性质
傅里叶变换的定义
将一个时域信号转换为频域信号的过 程，通过使用傅里叶级数或傅里叶积 分进行转换。
傅里叶变换的性质
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核磁共振成像等，能够提供更准确的图像分析和诊断。
通信技术
02
傅里叶变换在通信技术领域中用于信号调制、解调以及频谱分
析等方面，有助于提高通信系统的性能和稳定性。
地球物理学
03
傅里叶变换在地球物理学领域中用于地震信号处理和分析，有
助于揭示地球内部结构和地质构造。
傅里叶变换面临的挑战与机遇
数据安全与隐私保护
傅里叶变换的应用领域
01
02
03
信号处理
傅里叶变换在信号处理领 域应用广泛，如滤波、频 谱分析、调制解调等。
图像处理
傅里叶变换在图像处理中 用于图像压缩、图像增强、 图像去噪等。
通信系统
在通信系统中，傅里叶变 换用于信号的调制和解调， 以及频谱分析和频分复用 等。
02 信息光学基础
信息光学的定义与特点
光电技术复习
1. 半导体对光的吸收：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶 格吸收。
只有本征吸收和杂质吸收，能够直接产生非平衡载流子，引起光电 效应。
其余是光热效应。
2. 光生伏特器件的偏置电路：自偏置电路、零伏偏置、反向偏置3. 热辐射探测器件：热敏电阻、热电偶探测器、热电堆探测器、热释电器件。
4. 光电信息变换和处理：模拟光电变换和模数光电变换5. 光电倍增管的结构：（1）入射窗结构：端窗式和侧窗式（2）倍增极结构：聚 焦型和非聚焦型。
光窗、光电阴极、电子光学系统（电子透镜）、电子倍增系 统和阳极。
6.光敏电阻属于光电导器件，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。
7. CCD 勺注入方式：光注入、电注入。
8. 已知禁带宽度Eg 求最大波长入maxhe 1 .24hv 亠 E g ■ LE g E g 9. 光电信息变换的基本形式：① 信息载荷于光源的方式；② 信息载荷于透明体的方式；③ 信息载荷于反射光的形式；④ 信息载荷于遮挡光的形式；⑤ 信息载荷于光学量化器的方式；⑥ 光通信方式的信息变换一类称为模拟量的光电信息变换，例如前 4种变换方式；另一类称为数字量 的光电信息变换，例如后2种变换方式。
10. 光电倍增管：阴极灵敏度定义光电倍增管阴极电流Ik 与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵 敏度，并记为I k S k , t =①ej若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK 与光谱辐射通量的积分之 比，记为SkI k S k = --------------------------------- 阳极灵敏度定义光电倍增管阳极输出电流 Ia 与入射光谱辐射通量之比为阳极的光 谱灵敏度，并记为若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为 Sa11. 黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向 都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。
显然，黑体的吸收系 数为1，发射系数也为112. 斯忒藩-波尔兹曼定律I aS a, x = ①e,x l a ： ：J e, xd 'S a :: 4 M e,s, d ■ - CT 5 42 n k _8 2 43 7=5.67 10 Wm K 15 h cM es 、 =1.3O9T 5灯0卫 W ・ cm-2 •卩 m-1 - K-5 13. 热释电效应：热电晶体材料因吸收光辐射能量而产生温升，导致晶体表面电 荷发生变化的现象。
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1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本 低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事 业有了更大的发展。
1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析 像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展 产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm） 靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余 辉效应影响了它的采样速率。
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子束的行扫描速度，记为
vhf，式可改写为
f=fx·vhf
CCD与CMOS只有遵守上述的扫描方式才能替代电子束摄
像管，因此，CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子
束摄像管相同。
• 8.2.2 电视制式 电视图像发送与接收系统中，图像的采集与图像显示器必需 遵守同样的规则才有理想图像的传输。该规则被称为电视制式。 电视制式根据当时科技发展状况和技术条件，考虑本国或本 地区电网对电视系统的干扰情况及人眼的视觉感受和人们对图像 的要求等条件制定。 目前，世界正在应用的电视制式一般有三种： 我国以及西欧各国的彩色电视制式，该电视制式确定的场频 为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频带宽 为6.5 MHz。也称为PAL彩色电视制式。 PAL电视制式规定场周期为20ms,其中场正程时间为18.4ms, 场逆程时间为1.6ms；行频为15625 Hz，行周期为64μs,行正程时 间为52μs,行逆程时间为12μs。
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图 像传感器的新时代。
利用CCD图像传感器人们可以近距离的实地观测星球表面的 图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信息， 可以观察人们不能直接观测的图像。
CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。 CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。
也与图像传感器的性质有关。 面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包输出一维时序信号； CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像元
信号的一维输出。 面阵CCD、CMOS图像传感器以自扫描方式输出电信号。 CRT监视器或电视接收机的显像管是利用电磁场使电子束偏
转实现行与场扫描，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严 格的规定，才能显示理想的图像。
扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号， 存入计算机，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显 示及分析等功能。
扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的 应用范围。
直视型图像传感器用于图像的转换和增强。将入射辐射图像 通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进 行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后 将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。
1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管 （Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器 日益增长的需要。
1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD） 的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段。
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，它自扫描输 出方式消除了电子束扫描造成的图像的非线性失真。
即图像分割得越细，像质量越高。
高质量的图像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质 量的光电图像传感器。
• 2. 图像的分割与扫描 分割图像的方法有很多，超正析像管利用电子束扫描光电阴
极方法分割像元； 面阵CCD、CMOS图像传感器用光敏单元分割。 被分割后的电气图像经扫描输出一维时序信号，扫描的方式
如图8-2（a）所示为亮度按正弦分布的光栅图像，电子束扫 描一行将输出如图8-2（b）正弦时序信号，其纵坐标为与亮度L 有关的电压U，横坐标为扫描时间t。
若图像的宽度为W，图像在x方向的亮度分布为Lx，设正弦 光栅图像的空间频率为fx。电子束从左向右扫描（正程扫描）的 时间频率f应为
f
fx
W thf
本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传 感器的基本工作原理和典型应用问题 。
8.2 光电成像原理与电视制式
• 8.2.1 光电成像原理
如图8-1所示为光电成像系统的基本原理方框图。 光电成像系统常被分成摄像系统与图像显示系统两部分。 摄像系统由光学成像系统、光电变换系统、同步扫描和图 像编码等部分构成，输出全电视视频信号。
它推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光 与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑 侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。
• 8.1.2 图像传感器的分类
按工作方式分图像传感器有两类扫描型和直视型。通过电子 束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时 序信号输出出来。
• 1.摄像机的基本原理 在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像在
物镜的像面上，形成二维空间光强分布的光学图像。
光电图像传感器完成将光学图像转变成二维“电气” 图像 的工作。
组成一幅图像的最小单元称为像元，像元的大小或一幅图 像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的 细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。
代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信 号放大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备还原成二维 光学图像信号。
视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则 才能保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传 输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多制式。
第8章 图像信息的光电变换
8.1 图像传感器简介 8.1.1 图像传感器发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。
光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。 早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），
用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比 很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使 它的应用受到限制。