可用于数码相机的新型滤色器实验研究

    1　引　言

　　数码相机是20世纪末开发出的新型相机,与传统相机的最大不同在于:拍摄不用胶卷,拍摄得到的是可直接输入计算机处理的数字化影像文件。现在普遍使用的数码相机大部分使用单片面型CCD,获取彩色信息是由Bayer型滤色器和CCD共同构成彩色成像器件获得。Bayer型滤色器的结构如图1所示[1],其由红绿蓝(RGB)三原色滤色片按如图方式排列而成,在保持图像采样彩色均匀性的同时,增加了绿光的采样数目,这是考虑到人眼对红色和蓝色分辨率低,而对绿色较为敏感。

　　黑白底片三色光栅编码彩色摄影是80年代初母国光教授等提出的彩色摄影技术。经过多年研究,已先后开发出用于军事陆地和航空侦察摄影的编码相机及相应的光学解码仪[2],并于近年来实现了编码图像的数字化解码[3]。该技术通过特殊设计和制造的三色光栅一次性空间编码,在黑白胶片上获得编码片,记录了所需的全部彩色信息。为了复现原彩色信息,可以用光学解码仪解码也可以将编码片扫描到计算机内进行数字化解码。两种解码方式在原理上基本相同,解码步骤在功能上基本对应,均通过在编码图像空间频谱面上对3个一级衍射谱进行红绿蓝彩色滤波,得到复现的彩色图像。

　　数码相机和三色光栅编码相机摄影除记录介质不同外,两者都是通过记录滤色编码后的光强度信号,然后由解码恢复出彩色图像。因此应该可以用CCD代黑白底片,实现三色光栅编码的数码摄影,不仅免去了黑白底片的记录和冲洗,也省去了编码片的扫描时间,将极大地简化编码解码过程。按照这种设想,本文提出了新型格式的滤色器,其为Bayer滤色器和三色光栅编码器的编码方式相互结合的产物。本文分析了新型滤色器的编码解码原理,并用模拟实验验证了用于数码摄影的可行性。

    2　新型三色光栅式滤色器

　　实现三色光栅编码的数码摄影,最直接的方法是将三色光栅编码器直接贴于CCD感光表面构成新的彩色成像器件,我们的实物拍摄实验表明这种方法是可行的。实际上这相当于用面CCD取代扫描仪线CCD,对三色光栅编码后的图像进行空间采样,直接获得数字图像。已有的分析表明,数字化时空间采样频率至少应为三色光栅各光栅频率u0的5倍,即在每个光栅周期内至少应包括5个像元。由于CCD像元的大小是固定的,因此三色光栅的频率不能再进一步提高,否则将不能满足采样频率的要求。由于解码彩色图像的分辨率由光栅频率决定,因此按这种编码方式获得的彩色图像分辨率较低。

　　为了解决这个问题,我们将三色光栅编码器结构加以改造,提出了新型的滤色器,结构如图2所示。其结构类似于Bayer型滤色器,也具有棋盘格状各颜色滤色片空间采样的特点。但其中的白色滤色片(W)取代了半数的绿色滤色片,并且红蓝滤色片构成在水平和垂直方向的光栅。考虑到和像元光积分作用,绿滤色片也可以看作45°斜方向上特殊形式的光栅,光栅频率为红蓝光栅频率的2倍。这样和三色光栅相比,斜向光栅改进为网格形式,作到了对应于每个像元的滤色编码。这时空间编码和采样同步完成,不再个像元,将光栅频率提高到极限程度,因此和传统三色光栅数码摄影相比获取彩色图像的分辨率有很大提高。