数码技术在数字信息领域中的应用

数码技术在数字信息领域中的应用

1数码成像系统图像信息是信息的一个广泛分布的部门。据病理杂志称，80%的人一生的知识和信息来自视觉图像。在成像平面上用CCD/CMOS等光电面阵器件,接受图像信息就成为数码成像系统,每一CCD/CMOS芯片由数十万、数百万,甚至上千万的像素组成,数码相机将图像光强分布和色度分布转化为以空间像素单位、传输图像、图像输出,于是形成了系列数码成像技术和相应产品。数码相机是数码成像系列产品中的关键,为拍摄远距和近距图像,而发展望远数码相机功能或是显微镜用数码目镜;为数码输出,发展底片扫描仪、打印输出,数码扩印系统等等。现就科学实验和工程研究中有关数码技术用的一些问题及有关参数进行阐述与研讨。2相机色散2.1fpga和c成像数码相机感光器件主要有CCD和CMOS两类,CCD数码相机经历了较长的发展时期,目前在成像质量,成像分辨力方面优于CMOS,因此应用CCD的数码相机占大多数,而CMOS数码相机在产品价格,耗电量等方面又有优势,近年来CMOS传感器逐渐成熟,从高端到普及型的数码相机中的应用与日俱增。对于CCD和CMOS像素级别皆在飞速提高,2004年底,500万像素数码相机成为主流相机,800万像素将会成为今后高端数码相机的标准指标。高像素可以保证有足够的像素用于数码放大,300万像素的低端产品,对于小幅面的5英寸~7英寸照片已可以,但是在大幅面(A3纸以上)高端应用,即使500万像素亦往往不足。索尼公司的最新的四色CCD技术很受人关注,非常接近人眼的视觉特征。2.2光学分辨长度的计算数码相机的分辨力与像素有密切关系,而分辨力可用来评估数码相机的拍照质量,数码相机的最高分辨力与其像素相对应,而系统的分辨力既与像素有关又与光学镜头质量有关,如Ro与Rd分别表示为光学分辨力长度和光电器件分辨长度,对光学分辨长度而言,如不存在光学像差,则衍射极限决定光学分辨力,光学分辨力长度Ro可为:Ro=1.854λ(f/D)=1.854λF式中f、D、F分别为透镜焦距、口径、相对口径,对光电器件而言,分辨长度Rd等于像素有效感光宽度d,即Rd=d。因此系统的等效分辨长度Re≈R2o+R2d−−−−−−−√Re≈Ro2+Rd2Re=d(1.845λFd)2+1−−−−−−−−−−−√(1)Re=d(1.845λFd)2+1(1)图1表示了三种分辨长度与λF/d之间关系,图中可见当λF/d较小时,光电器件有效感光长度限制了系统的分辨力,而当λF/d增大时,光学系统将成为限制系统分辨力的主要因素。2.3焦距与视场的影响数码相机的光学镜头的孔径是镜头的重要参数,通常用相对孔径的倒数,光圈数F来表示,如F1.2,F1.4,F2.0……F8等,F数越小,表示镜头的相对孔径越大。数码相机的镜头大多为变焦镜头,一般为2倍~4倍之间,近来的发展,高的可达8倍~12倍。数码相机的焦距与视场,亦是镜头的重要参数。目前常用其镜头的CCD/CMOS面阵接收,其尺寸有1英寸,2/3英寸,1/2英寸,1/4英寸。对于一定大小的光电成像器件来说,焦距增大,意味着视场缩小。表1引出了35mm胶卷与各类光电成像器件和标准镜头焦距的范围。2.4dsp技术任务数码相机中的DSP的任务之一,是对成像器件上获得的图像信号进行处理与完善,诸如光照度补偿,矫正白平衡,彩色抑制等。DSP同时担负着使相机自动对焦和自动曝光的任务,DSP另一任务是完成图像压缩,压缩图像大小而保持图像细节的信息。高的压缩比可节省数码相机的存储空间,在数码图像传输时,可以加快传输速度。2.5市售地区8m、16m、32m一般数码相机备有存储器,存储器的容量有8MB、16MB、32MB、64MB等。存储器中存满照片后,数码相机不能再拍照,这时需要通过USB接口,转存到PC机中。2.6打印或与观音卡、打印张拉语文件某些数码相机,对每张照片附加了一个声音文件,使数码相机更具特色;有些相机可直接与打印机连接而进行打印照片;具有微距镜头的数码相机可进行显微摄影等等。2.7数字高清视频数码相机的规格品种非常繁多,应用一例来说明数码相机的性能,如徕卡Digilu×2的主要性能:传感器:2/3英寸CCD,524万像素(有效像素500万,像元3.4μm)。影像规格:2560×1920,2048×1536,1600×1200,1280×960,640×480,1920×1080,320×240(动态影像)。文件格式:RAW.JPEG(超高精细.精细.标准)动态影像。存储介质:随机配64MBSD卡。镜头:LeicaDCVario-Summicrom7.0mm~22.5mm,F2.0~F4(相当于135相机,28mm~90mm镜头),10组13片,最近距离为3cm,进行微距拍摄。数码变焦:3倍快门速度:8s~1/4000s。曝光补偿:±2eV,以1/3eV为一级调校。白平衡:自动.手动预设(日光、阴天、日光灯、闪光灯)。内置闪光灯:指数10(ISO100)有效范围:广角5m,长焦4m。电源:1400mA,7.2V,可充电,锂离子电池。3特殊摄影3.1导色内导物的属近几年来很多数码相机能拍摄近距离物体,这对于科学实验而言,往往可以用作有力的记录手段,诸如:尼康数码相机微距拍摄距离在2cm内的COOLPIX950,995,4500,5000,5400等,在4cm以内拍摄的有COOLPIX885,4300,3500,3100等。微距拍摄需克服两个主要技术问题:一是当镜头非常接近物体时,产生景深不足;二是近距离拍摄时光线造成的阴影现象,但通过稳固的三脚架.光线布局合理,以及锁定合适拍摄距离等等措施,已经得到效果良好的微距拍摄的照片。3.2国内销售一部分,局部出口近年来,浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心开发的显微镜电子目镜已成批生产,产品国内销售一部分,大部分外销。它是采用CMOS做成像传感器,有黑白和彩色CMOS两类,以供拍摄黑白照片或彩色照片,把普通显微镜中的目镜,用电子目镜代之,当用模拟信号时可以在电视上看图样,通过USB接口进入PC机时,可在电子计算机上观察或处理图像。3.3数码长片超压法一般数码相机,皆能拍较远距离的照片,也有在望远系统上加上数码相机,如双筒望远镜上配上数码相机,另一种专门设计了望远用电子目镜,代替原来目镜,从而构成望远镜数码系统,这类产品深受国际市场欢迎。4数码彩扩t图像输出是数码成像的终端设备,数码影像银盐相纸化,即采用设备输出数码影像,举例为:4.1数码彩扩法LCD是liquidcrystaldisplay的缩写,意为液晶显示。LCD法是利用液晶显示与光源的结合使相纸曝光,即在LCD板的背面,用光源照射的同时,将数字信号送至LCD板,这样LCD成了“数码底片”,使数码影像曝光于相纸上。LCD板的不足是像素仅有几十万—二百万,仅可扩印5英寸~6英寸的照片,上海丽宝、天达等皆用此法。上海索非亚采用此法,已可扩印12英寸×18英寸照片。4.2CRT法CRT是cathoderaytube(阴极射线管)的缩写。利用阴极射线管将传送给它的电信号转化为光信号,曝光彩色相纸,第一代的数码彩扩皆用此法。它的特点能表现千姿百态的丰富画面,但一般仅印小于8英寸的照片,于是出现高清晰度阴极限射线管,可输出12英寸×18英寸照片。4.3激光法通过红绿蓝三色激光器,将数字电信号转化为红.绿。蓝曝光于相纸,激光能制清晰度高。色彩鲜艳的照片。该法且几乎独步大幅面数码影像的天下。中幅面的激光数码彩扩机有富士的魔术手(Froniter)系列,日本诺日士QSS-3021、3101等,它们最大幅面为12英寸×18英寸,分辨力为300dpi~400dpi;大幅面的激光彩扩机有意大利的宝丽等,浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心的32英寸激光彩扩机已研制成功,已于2004年进行项目验收。4.4打印输出上面介绍的数码彩扩法,只是输出方法之一。在PMA2003展览会上,展出的喷墨技术,很适合中幅面的打印工作,会上还有两家专门做黑白喷墨打印的公司,专卖黑白喷墨而研制的黑墨水(不同程度的黑白)和专门设计的软件,非常适合黑白的艺术品的打印,有打印输出,有黑白激光打印,彩色喷墨打印等,还有的公司采用热升华法等等,常用数码输出设备的分辨力为:4.5扫描仪把普通底片转换成像数码影像,则用底片扫描仪,底片、文件、图像之类经扫描仪扫描成数码图像,从而可把这些图像、文件进入计算机处理。扫描仪的两个指标即光学分辨力和色位方式,中档产品的指标为2400×4800dpi/48bit,2400×4800是CCD的光学分辨力,而48bit的色位,意味着RGB三种颜色中,每个通道将以16bit方式取样。一般常用的TIFF和JPEG格式的每通道取样只有8bit。下表是部分扫描仪的性能特性。5录像和录像结合采用摄影世界2004年末的两篇文章的精神,作结束语,在尼康天地栏目中,关于尼康数码相机的发展情况是这样说明的,Coolpix的专业系列很自然地沿两个方面延伸发展:(1)数码相机像素的增长,从最初的100万像素、200万像素、300万像素,发展到近两年的400万,500万直至时下主流的800万像素;(2)综合传统胶片相机的成熟功能和数码相机特有的计算机及光电技术特性,拍摄功能不断增强、完善、甚至拓宽。Coolpix普及系列归纳为两方面:像素不断发展和简单、方便、时尚和将专业摄影“还俗于民”。可以对尼康今后推出的Coolpix专业系列数码相机进行一些大胆的预测,像素大概会达到1000万像