图像的成像显示和记录

图像的成像显示和记录第1页，共19页，2023年，2月20日，星期四直径(英寸)：3,1.5,1,2/3,1/2。超正析像管：惰性小噪声大。视像管：电场和长磁场聚焦；网电极保证电子束垂直上靶。固体摄像器件：无须扫描和聚焦(按像素移位)，光谱响应宽，功耗低，可集成处理电路。有电荷耦合(CCD)和CMOS摄像器件，它是发展方向。信号出视像管构造图超正析像管CCD摄像器件光谱特性第2页，共19页，2023年，2月20日，星期四SiO2N-Si-V10VAl电极耗尽层(a)势阱的形成-V1*

-V2(c)少数载流子的转移-V10V(b)少数载流子的捕获光照0V-V2(d)转移完成CCD摄像器件的工作原理：平面扫描CCD成像单元CCD移位寄存器输出信号行间转移方式帧转移方式第3页，共19页，2023年，2月20日，星期四MOS摄像器件的工作原理：ΦY1ΦY2信号输出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS开关光电二极管A/D数字信号输出第4页，共19页，2023年，2月20日，星期四彩色摄像机的分光：棱镜和滤色片分光RCCDGCCDBCCD红外滤光片变焦镜头R/BCCDGCCD红外滤光片变焦镜头青色滤光片红、蓝滤光片R/G/BCCD红、绿、蓝方格图案滤光片红外滤光片变焦镜头分色棱镜二向分色棱镜(a)三板式的棱镜分光(b)二板式的二向色棱镜分光(c)单板式的方格图案滤色片分光色再现性好的滤色片是把绿色配置成方格，而在其间配置红、蓝滤色片。绿色多可尽量加宽亮度信号的带宽。采用包含绿色成份的补色滤色片(白、青、黄)可以提高光的利用率。人眼和硅半导体相对不同波长光的敏感曲线第5页，共19页，2023年，2月20日，星期四CCD彩色摄像机

3CCD：用前一像素替换有缺陷的缺陷补偿电路；以G为准的白平衡，故色差中G替Y；Y控制光圈；轮廓补偿提高清晰度；处理电路有彩色校正、γ校正、黑斑补偿等。2CCD：R,B共用CCD后青色滤光片衰减红以保持增益一致；条形滤色片和识别电路分离红和蓝色；G独占CCD保证清晰度。技术指标低于3CCD，适用于专业级摄像应用。三板式CCD摄像机二板式CCD摄像机第6页，共19页，2023年，2月20日，星期四USB数字摄像机组成原理：UART8/10bits摄像接口256K×16（EDO/SDRAM）

DRAM接口Addr.R/WData压缩引擎CECompressionEngine先进先出缓存（FIFO）8/108

USB接口8

系统控制器CMOS数字摄像器件（HDCS）48MHZ晶振USB控制器USB总线USB驱动器

数字相机芯片第7页，共19页，2023年，2月20日，星期四CMOS摄像器件的结构：APS(ActivePixelStructure

)：由1990s中期NASA引入CMOS

图像传感器，解决了噪声问题。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。APS在显微镜下的结构APS原理框图

PhotodiodeActive-PixelArchitecture微透镜改善低光特性第8页，共19页，2023年，2月20日，星期四Bayer滤色片结构：图像传感器结构是每行同时输出2列上的像素：一行按G,R;---G,R。下一行按B,G;---B,G。因此，图像尺寸基本以2×2的倍数扩大或缩小。有B，缺G和R：G=周围4个G的平均；R=周围4个R的平均。有G，缺B和R：B=周围2个B的平均；R=周围2个R的平均。有R，缺G和B：G=周围4个G的平均；B=周围4个B的平均。Bayer滤色片颜色内插算法Bayer滤色图案

0123...6366376386390123:476477478479........::第9页，共19页，2023年，2月20日，星期四HDCS(Agilent公司)的结构：成像阵列VGA:640×480CIF:352×288模拟行缓冲列译码

可编增益放大器PGA0

PGA1

模数转换器ADC0

ADC1

缓冲输出行译码行控制列控制PGA控制ADC控制10位并行数据输出主控制状态机

Reg0Reg1...Regn寄存器堆串联接口控制

串并转换并行接口控制数据输出控制信号寄存器总线列地址行地址控制总线RegDataCtrl

DIDOOERxDTxDTCLK第10页，共19页，2023年，2月20日，星期四

2×2的块给出一个彩色像素所需要的三基色值，由于不同色滤光片的透光率和光电二极管的光谱响应差异造成三基色增益的不同，这将影响图像的白平衡。HDCS利用二个增益可编程的放大器

(PGA)对三个基色分别设置不同放大倍数来解决，四组增益寄存器分偶行偶列和奇行奇列(影响G)，偶行奇列(影响R)，奇行偶列(影响B)。成像阵列中偶行是绿-红行，奇行是蓝-绿行。通过串行接口可对25个内部寄存器编程，设置器件的工作和接口方式。编程参数：图像窗口大小、光电积累时间、像素增益、数据格式和码率、接口定时、中断控制、行和场以及快门同步、器件工作模式、输出引脚的驱动电平等。

GRBG第11页，共19页，2023年，2月20日，星期四医学成像系统：影像诊断的方法：X光放射学、计算机轴向层析(CAT：透射式CT和发射式ECT)、红外、射频和超声(A、B、M型)技术、γ照相和核磁共振成像(MRI)等。一般说采用X光、红外、射频和超声等为媒体的影像诊断是形态显像(反映组织的密度分布)。而属于核医学范畴的γ照相和核磁共振成像既是形态显像，又是功能显像。γ照相机(H.Anger)和ECT：利用同位素标记的药物参与人体的生理和生化过程，浓度分布得到结构形态(空间分辨)及变化得到功能(功能分辨和时间分辨)。数字医学影像诊断系统第12页，共19页，2023年，2月20日，星期四工作原理：99Tc、131I和125I是富中子的β-

衰变(n→p+β-)，返回基态时产生单个单方向的γ光子。通过铅合金准直器进入NaI晶体发光，由光电倍增管阵列接受位置和能量信息。能量E进窗口电路鉴别(不同核素能量峰不同)，位置作为帧存的地址。因出现γ光子是符合泊松分布随机事件，要用计数式采集，存储器字长决定最大计数值，一般>10bit。在γ相机基础上发展的ECT有单光子(SPECT)和正电子(PET)两类。目前PET最有前途，它使用核素11C、预放器阵列位置变换电路X+X-Y+Y-A/DA/D行地址列地址计数式图像帧存能量窗口E读写控制处理和显示γ照相机第13页，共19页，2023年，2月20日，星期四15O、13N、18F都是人体组成的元素。它们是缺中子的β+

衰变(n→p+β+

)，正电子β+很快与组织周围负电子结合形成两个成对的方向相反的γ光子(湮没辐射)。现在认为大部分与生命有关的代谢过程与短半衰期的核素衰变在时向上一致。核磁共振成像MRI:使用质子或中子为奇数(不配对的核有内磁矩和自旋角动量)的同位素(1H、2H、13C、14N、

19F、23Na、31P、127I)，也是人体组成的元素。核磁共振成像（MRI）第14页，共19页，2023年，2月20日，星期四无外静磁场时脏器的合成磁场为零，加外磁场核的磁矩沿磁场方向排列(顺磁场者多于逆磁场)总体呈净磁场。核磁矩绕静磁场轴线转动的进动频率称Larmor频率。当加入Larmor频率的射频电磁场，射频场传播方向垂直于静磁场，核磁矩发生共振偏离，射频场能量以光子传给核磁矩使它跃迁高能态(共振交换)。去掉射频场后，核回到低能态发出光子。该交换过程净磁场的变化在接收线圈产生共振频率的感应电压，幅度与原子密度有关。MRI磁体类型：超导(1.5×104高斯)、电阻和永磁型(0.3~0.5×104高斯)。其他结构有梯度线圈、发射和接收线圈以及计算机图像处理系统。成像清晰、对比度高，兼有结构和功能。在动态和代谢方面不如PET，不适合骨与空气部位成像。第15页，共19页，2023年，2月20日，星期四遥感使用的传感器被动式主动式激光光谱仪激光测距仪雷达侧视雷达扫描式非扫描图像非图像地磁测量重力测量其他单照相机多光谱相机单镜头多胶片单胶片多镜头多胶片单胶片电视摄像机固体扫描仪影像面扫描模拟式数字式多光谱扫描仪微波辐射计目标物面扫描扫描式非扫描传感器第16页，共19页，2023年，2月20日，星期四光学机械扫描仪：扫描镜以45°切线向旋转连续收集地面反射光谱(通常为0.38~14μm)。经光栅分光成多个波段接收并记录在高密度数字磁带上。热红外扫描仪：旋转镜对8~14μm热辐射扫描探测。收集的信号可以用显像管对与速高比(V/H)作等比例运动的胶片上曝光记录。一般常温物体(300K)的最大辐射在10μm。热红外扫描仪结构多光谱扫描仪MSS的结构(Bendix公司)HDDT第17页，共19页，2023年，2月20日，星期四无线电波谱的遥感无线电波遥感的优点：可见光和红外遥感在地面云雾覆盖时失去作用，无线电波可以穿云破雾，受大气影响仅限于毫米波存在O2和H2O的吸收带、厘米波在1.35cm有H2O弱吸收。传感器主要是雷达和微波辐射计。波段频率波长VHF30~300MHz1~10mUHF300~3000MHz10~100cmL带1000~2000MHz15~30cmS带2000~4000MHz7.5~