新型TCG数码相机编码滤色器研究

    1　引　　言

    数码相机是20世纪末开发出的新型照相机。它的优点是拍摄不用底片、即拍即得、直接数字化、便于计算机处理及网上传输。因此成为数字时代的新宠,在众多新兴的消费品中,以其突出表现吸引了厂商的相继投入。随着数码相机性能的提高,也在被越来越多的消费者所接受。衡量数码相机性能的指标有很多,其中最重要的是分辨率。在镜头系统分辨能力保证的前提下,数码相机的分辨率主要取决于感光芯片(CCD或CMOS)上的像素多少。从数码相机的发展过程看,像素数有逐渐提高之势。百万以上像素的数码相机现已很普遍[1]。

    虽然数码相机的像素数不断提高,但到目前为止,所获得的彩色图像的分辨率与传统胶片成像的分辨率相比还有一定差距。由于目前数码相机实现彩色的方式是通过在CCD感光像面前加入一个棋盘格式的滤色器,每个感光像元只接收某种原色分量的信号。例如,最常用的Bayer网格滤色器[2](图1(a)),红色和蓝色的采样率为1/4,绿色的采样率为1/2。最近,富士公司推出的超级CCD[3],将传统的CCD感光单元的排列方式改为交叉型,使R、G、B滤色器能够均匀排列,且数量相同,各占1/3(图1(b))。几个感光像元才能构成一个彩色像素,使图像分辨率受到影响。通过像元重复使用或插值的方法,虽然使像素数成倍增加,但是,图像的分辨率并没有提高。

    本文提出采用三色光栅TCG(Tricolor Grating)编码滤色器用于数码相机的思想。这种特殊的编码滤色器(图1(c))具备光栅的特征,其中红色光栅沿竖直方向,绿色光栅沿水平方向,蓝色光栅沿45°方向。不同走向的光栅存在着交叠,从采样频率看,红、绿、蓝都是50%,显然比Bayer网格和超级CCD的三原色采样频率都高。也就是说,用TCG滤色器得到的编码图像能记录更多图像的信息。本文首先分析了TCG编码滤色器用于数码彩色摄影的原理,然后介绍在黑白CCD像面前加贴TCG编码滤色器进行彩色摄影的实验及结果。对TCG、Bayer和超级CCD三种编码滤色器的结构做了分析比较。并将仿真软件与TCG和Bayer网格两种编码滤色器获得的彩色图像进行了对比。

    2　TCG编码滤色器的数码彩色摄影

    2.1　原理

    TCG编码滤色器的多重光栅结构决定了它对不同彩色信息的空间调制特性,经过TCG由感光面记录的是一幅被编码了的灰度图像。如果将这幅灰度图像进行Fourier变换,则由于TCG的调制特性,使得频谱面上得到R、G、B分开的一级频谱信息,其中,R分量在水平方向,G分量在竖直方向,B分量在45°方向。分别取三个一级频谱进行逆Fourier变换得到各自记录着红、绿、蓝信息的3个子图像,将3个子图像合成就是解码后的彩色图像。这就是数字解码算法的基本原理。