南开大学_光电图像技术

光电图像技术

部分试题与答案

1.简述单镜头反光相机取景原理和在胶片上的成像过程。

取景原理：单反相机的取景部分主要由

镜头、反光镜、对焦板、场镜、五棱镜

组成。物体通过镜头、反光镜在对焦板

上成左右颠倒的实像；通过五棱镜、目

镜将图像转化为直立的正虚像，方便观

察。

成像过程：照相时反光板抬起，快门打

开，物体通过镜头在胶片上形成上下左

右颠倒的实像，此刻取景器里看不到影

像。曝光完成后，反光板放下，恢复到

取景状态。

2.简述单反相机自动聚焦的方法和基本原理。

对比度法：利用一维的阵列、CCD器件测量镜头的对焦过程和图像的对比度,对比度达到最大时图像最清晰。

位相法：利用分像镜头将物体形成左右两个独立的像，再利用阵列器件测量这两个像的间隔，并根据这个值计算镜头的调焦状态。

补充：

对比度法：该方法是通过检测图像的轮廓边缘实现自动对焦的。图像的轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反之，失焦的图像,轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或对比度下降；

失焦越远，对比度越低。利用这个原理，将两个光电检测器放在CCD前后相等距离处，被摄影物的图像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其成像的对比度。当两个检测器所输出的对比度相差的绝对值最小时，说明对焦的像面刚好在两个检测器中间，即和CCD的成像表面接近，于是对焦完成。

位相法：该方法是通过检测像的偏移量实现自动对焦的。在感光CCD的位置放置一个由平行线条组成的网格板，线条相继为透光和不透光。网络板后

适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。网络板在与光轴垂直方向上往复振动。当聚焦面与网络板重合时，通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而当离焦时，光束只能先后到达两个受光元件，于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置，使聚焦面与网格板的平面重合。

3.说明CCD光电器件的基本工作原理。

CCD全称为光电耦合器件(Charge-coupled Device)。对于CCD光电器件，器件中感光部分通过光照产生光生电荷，此电荷通过电注入或直接光注入的方式将光生电荷存储到电荷耦合器件中的势阱中，再由周期性的多路脉冲产生势阱间的耦合，存储的电荷从一个势阱移动到另一个势阱，使之形成时间上串行输出的模拟电荷包信号，达到将一个并行的一维或二维图像信号进行存储以及形成串行输出的目的。

4.对比CCD探测器和CMOS探测器的性能或者结构差别。

CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：

①灵敏度；CCD＞CMOS。

由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含

放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。

②功耗；CCD＞CMOS。

CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD 传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。

③速度；CMOS＞CCD。

由于CMOS的驱动部分集成在器件内部，减少了诸如电感、电容及传输延迟等，因此通常可以达到比CCD更高的运行速度。

④动态范围；CCD＞CMOS。

动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值。在可比较的环境下,CCD 动态范围约较CMOS 的高2 倍。主要由于CCD 芯片物理结构决定通过电荷耦合,电荷转移到共同的输出端几乎没有噪声,使得CCD 器件噪声可控制在极低的水平。CMOS 器件由于其芯片结构决定它具有较多的片上放大器、寻址电路、寄生电容等,导致器件噪声相对较大,这些噪声即使通过采用外电路进行信号处理、芯片冷却、采用好的光学系统等手段, CMOS 器件的噪声仍不能降到与CCD 器件相当的水平。CCD 的低噪声特性是由其物理结构决定的。

⑤成本；CCD＞CMOS。

由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；

除此之外，由于CCD 采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD 传感器的成品率比CMOS 传感器困难许多，因此，CCD 传感器的成本会高于CMOS 传感器。

5. 列举光电二极管器件的基本特性（至少三个）。

① 光谱范围。

② 量子效应。

③ 灵敏度。

④ 线性度。

⑤ 暗电流。

⑥ 响应时间。

6. 叙述使用光谱法测量色坐标的基本方法。

λλλλλd I z y x k Z Y

X )()()()(780380000⎰⎪⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫

⎝⎛ 使用光谱法测量色坐标的基本公式如上，其中T Z Y X

),,(为三刺激值，T z y x ))(),(),((000λλλ为三基色系统的色匹配函数（由CIE 以表格形式提供），

)(λI 为待测光源的发光光谱（测量值）

，系数W lm k /685=，积分上下限分别为780nm 和380nm 。用该公式计算三刺激值后再进行归一化： Z Y X X

x ++=，Z Y X Y y ++=，Z Y X Z z ++=

由于1=++z y x ，故常取x ，y 构成光源色坐标。

7. 简述图像处理中点变换、代数变换和几何变换的区别。

点变换：对图像中单一像素的灰度进行变换。

代数变换：对两幅图像或多幅图像对应像素的灰度进行加减乘除等代数运算。 几何变换：用于改变图像中各物体的空间关系。

8. 线性系统的定义。

满足叠加性原理的系统称为线性系统。叠加性原理是指:如果给定系统的任意两种输入1x 和2x ,相应的输出分别为1y 和2y , 则当输入为2211x C x C +时，系