科宁简述彩色CCD摄像机工作原理

彩色CCD摄像机工作原理

彩色电视图像含有颜色的信息，与人眼直接看到的景象更为接近，因而给人们更逼真的感觉。彩色摄像机由于技术进步而可能做得越来越小，价格越来越低之后，彩色电视才走出了广播电视的领域而为许多应用电视系统所采用。特别是家用的摄录放像机，市场广阔而销量大，更进一步促进了彩色摄像机的小型化，廉价化。近十五年来，在安全技术防范用的电视监控系统中，已大量使用彩色摄像机。因为CCD的优点以及目前达到的优良性能，彩色CCD摄像机便成为电视监控系统中的主流。

在此之前，我们曾简单的介绍过彩色视觉的三基色理论，它是彩色摄像技术的基础。将光图像的颜色分解为三基色（R，G，B）的电信号进行处理、合成而后传输，经接收端处理，分解而后由显示器恢复为彩色电视信号图像，这是彩色电视变换的基本过程。处在这一过程始端的彩色摄像机，比较直接的分色方式就是把图像经滤色片分色（R，G，B），再由三个传感器转换成三路与R，G，B相关的电信号来进行处理，这就是所谓的“三管式”或“三板式”彩色摄像机。其分色棱镜的原理见图13-14。

图13-15表示三板式CCD彩色摄像机的处理电路方框图。由图13-14可见，三板CCD彩色摄像机的光学镜头及棱镜系统结构要求是十分精密的，三片CCD传感器应有一致的电性能，其安装的形位公差十分严格，无论是中心位置还是平面位置都要求十分准确，否则就会导致图像细节模糊，以及彩色镶边现象。三基色信号的精确重合，理论上就是三片CCD的像素位置重合，同一个像点的色光在三片CCD相应的像素上同时被扫描读出而分为三基色的电信号。这种复杂的装调、校准过程，在广播电视专业人员使用中尚可接受，而对于非广播电视应用来说就显得过于不便。因其结构相对复杂，体积、重量必然增加，价格也偏高，虽然三板式CCD彩色摄像机在性能上很完美，在彩色重现和信噪比方面为单板机所不及，它也只能在电视台的演播室中占有一定的份额。在家用以及其它非广播电视应用中绝无可能沿用这种型式，正是这方面广阔的市场，促使电视工业的厂家在彩色摄像机问世伊始，就在探索发展更为简单的两管（两片），单管（单片）构成的彩色摄像机。单片CCD彩色摄像机在家用机上成功的应用，使单片彩色CCD摄像机产量剧增，这种规模效应，促使了CCD芯片及其专用配套芯片的发展，降低了成本，反过来又使得CCD摄像机的应用范围更为扩大，形成一个良性循环。今天，能够如此广泛的在安防系统中使用电视监控手段，与单片彩色摄像机价廉而性能优良使得应用电视系统造价大大地降低是密切相关的。

像机的亮度分辨力不如同样有效像素数的黑白CCD摄像机。29万像素的黑白CCD摄像机能达到380HTVL（水平电视线）左右，而29万像素的彩色单片CCD摄像机则一般为250HTVL～300HTVL左右。49万像素的黑白CCD 摄像机可达到550HTVL以上，而49万像素的彩色单片CCD摄像机达到450HTVL以上就算其性能优良了。这就是何以黑白CCD摄像机没有完全被淘汰的原因之一。

图13-16ICX059AK方框图

图13-17是一台彩色CCD摄像机的原理方框图，是目前许多国外品牌采用的结构。HN-433是湖南华南光电科技股份有限公司采用日本器件自行设计生产的数字信号处理（DSP）彩色CCD摄像机系列之一。CCD用HAD IT1/3＂芯片，总有效像素数29万。分辨力达320HTVL，亮度信噪比（加权）47dB以上，有很好的色还原性。根据现场情况需要，通过RS232C串行口，可用计算机调整设置摄像机参数，以达到最佳的使用效果，是一种性能/价格比较高的普及型彩色CCD摄像机。

在图13-17中，彩色CCD图像传感器在IC1定时脉冲产生器（TG）和垂直驱动器产生的垂直移位脉冲和水平读出脉冲的驱动下，将CCD感光产生的电荷转换为电信号送入IC2，由IC1来的采样保持脉冲对该信号相关双采样，通过自动增益控制而后送入IC3数字信号处理（DSP）电路。在IC3中，首先进行模拟/数字（A/D）转换，将IC2来的模拟信号变为数字信号，以便用现代的微计算机处理技术对信号进行处理，分别得出关于亮度和颜色的信息。用微处理器处理时，关系图像的亮度、色还原性、色饱和度、γ校正、背景光补偿等等的参数的设置，通过RS232C送来的调整指令可以修改。由IC3数字信号处理电路，可以直接并行输出

Y（亮度）和C（色度）数据码供PC进行图像处理和显示。而更多的场合，摄像机输出电视信号，供直接利用监视器（电视机）观看。目前所用监视器（电视机），接受的还是模拟视频信号，IC3提供了这种输出，它将Y（亮度），C（色度）两路数字信号，分别经D/A（数/模）转换，成为两路模拟信号，在IC4中将它们混合，放大，成为一个标准的模拟的彩色全电视信号输出。这个信号接入监视器（或是电视机的V输入端子），就可供人们观看了。这就是近几年流行的新型数字信号处理（DSP）摄像机。由上述原理框图的介绍可知，由于用数字的方式对信号进行处理并由数字指令进行控制，使产品的稳定性，可靠性，一致性大为提高，在模拟电路中无法精确量化的一些调整、校正、补偿，在数字处理中得以实现，因此数字信号处理（DSP）彩色摄像机图像质量也大有提高。顺便提及，有的摄像机印有Digital（数字）字样，其实就是DSP摄像机，与尚在发展中的数字电视技术所用的数字摄像机并不是一回事。目前只有广播专业用的数字摄像机才是真正的全部采用数字处理技术的数字摄像机。