彩色数码相机光强响应特性的标定实验

    引 言

    数码相机自问世以来，随着技术的日臻完善，逐渐被应用于摄影、医疗、遥感及许多其它的科学研究领域。CCD(Charge Coupled Device) 是数码相机中常用的光电转换部件，是大多数新型数码相机成像系统的重要组成部分之一。为了满足日益广泛的应用需要，目前已有许多文献资料从不同的角度对 CCD 的成像特性进行了深入的研究，如 CCD 像素颜色插值算法[1]、CCD 图像去噪的研究[2]、提高 CCD 成像分辨力系统的算法[3]等。

    其中，CCD 数码相机光强响应特性也是研究的重点之一。通常对于具有低动态响应范围的 CCD 数码相机，由于 CCD 器件在它的工作范围内的线性光电响应特性[4]，由此整个 CCD 数码相机系统也具有线性光强响应特性。数码相机的很多数据处理过程都基于此，如颜色矫正、图像修复、色度分析等。然而，目前新型的具有高动态响应的 CCD 数码相机，由于受输出的数字信号的动态范围限制，相机内部的校正电路必然对光强信号进行非线性压缩，这样即导致 CCD 数码相机具有强烈的非线性光强响应特性。

    1 光强响应的非线性模型

    数码相机是集光学、机械、电子于一体的产品，它集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有数字化存取模式、与电脑交互处理、实时拍摄等特点。图 1 是 CCD 数码相机基本工作原理示意图。

    数码相机的光学系统将物体的影像聚焦成像在感光元件CCD上，CCD阵列中每一个像素点就是一个光传感器，通过光电转换，产生模拟电信号；模拟电信号通过模数转换器(ADC) 被转换为数字信号，再经过数字信号处理器(DSP) 进行处理，最终物体的影像信息以 JPG、TIFF、TGA、BMP 等数字图像格式存储输出。通常面阵 CCD 彩色数码相机的存储精度多为 24 位(红、绿、蓝每通道各 8 位，数值范围为 0~255)，即 24位的色彩深度。通过图像分析软件，可以获得数字图像上的任一像素点的色彩信息(红、绿、蓝三通道信息)。

    令 R, G, B 分别代表物体数字存储图像中任一像素的红、绿、蓝三通道的数值，建立如下光强响应模型：

    式中 Ψi(i=1, 2, 3) 分别是三通道的非线性响应函数；ni( i=1, 2, 3)为三通道的噪声信号，包括暗电流噪声、量化噪声等；该像素点所获得的光照强度Ρ'为

P (t/F)βL2= (2)

    式中 β 表示成像的空间几何因子；t 表示相机的曝光时间；F 为相机光圈的大小；L 为物体的表面亮度。

    函数Ψi描述了面阵 CCD 数码相机的光强响应特性，通常采用线性模型和γ 幂指数模型予以描述：