攝像機成像

攝像機從接收光信號到輸出電信號的過程，特別是怎樣把色彩信號轉換成電信號

CMOS攝像機成像模塊

在了解CMOS圖像處理器成像原理之前，我們先來看看CCD與CMOS之間的一個對比，以更好了解CMOS圖像處理器。相比于CCD，CMOS的優(yōu)點由于：

1） 設計單一感光器感光器連接放大器

2） 靈敏度同樣面積下高感光開口小，靈敏度低

3） 成本線路品質影響程度高，成本高CMOS整合集成，成本低

4） 解析度連接復雜度低，解析度高低，新技術高

5）噪點比單一放大，噪點低百萬放大，噪點高

6） 功耗比需外加電壓，功耗高直接放大，功耗低

由于構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現(xiàn)之不同。CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的制程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。圖3為CMOS成像模塊示意圖。

CMOS攝像機線性插值

為什么需要線性插值呢？我們先來看看CMOS圖像處理器的排列：

由于制作工藝的問題，CMOS感應R 或G或B一種顏色，這就是貝葉爾格式的數(shù)據(jù)（如圖4所示）。它必須經(jīng)過插值運算才能得到每個像素的RGB值。

由圖4可以看出，每個像素點都有8個相鄰的像素點，而且這8個像素點的顏色分量與此像素點不同。插值算法就是依據(jù)相鄰的像素點的顏色值的空間相關性原理進行的。其處理方法如下：

a. 只有R顏色分量的像素點，其G顏色分量由周圍4個G的平均值計算得出。B顏色分量由周圍4個B的平均值計算得出。

b. 只有B顏色分量的像素點，其R顏色分量由周圍4個R的平均值計算得出，G顏色分量由周圍4個G平均值計算得出。

c. 只有G顏色分量的像素點，其R顏色分量由上下2個R的平均值計算得出，B顏色分量由左右2個B平均值計算得出。

CMOS攝像機白平衡

任何物體在不同的光線下具有不同的色溫。所謂色溫，簡而言之，就是定量地以開爾文溫度表示色彩。色溫越高，物體的藍色分量就越多；色溫越低，物體的紅色分量就越多。由于人眼具有自調節(jié)性，所以即使物體色溫不同，也能正確識別出顏色。但是CMOS圖像傳感器沒有自調節(jié)性，所以當在戶外日光下拍攝物體時，物體的顏色就會因為色溫高而偏藍。而在室內的熒光燈下拍攝物體時，物體的顏色就會因為色溫低而偏紅。要得到正確的顏色，必須進行白平衡。白平衡的基本原理是調整顏色的色溫，使其保持在一個特定的范圍內。

電阻抗成像注入電流電阻抗成像（ACEIT）

注入電流電阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究歷史最長的成像方法。許多早期的文獻將之稱為電阻抗成像（EIT），后來隨著各種成像方法的提出，有些學者為了將它與其他激勵方式的電阻抗成像區(qū)分開來，故將之命名為注入電流電阻抗成像（ACEIT）。后來EIT概念的外延增大，表示所有的電阻抗成像。相對于其他方式的電阻抗成像而言，ACEIT起步較早，研究得比較充分。

ACEIT的原理是，根據(jù)人體內不同組織在不同生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗，通過電極給人體施加小的安全驅動電流/電壓，在體外測量電壓/電流信號，并依據(jù)相應的快速重組算法重建人體內部的電阻抗分布或其變化的圖像。

不同的電流注入模式使成像區(qū)域內部形成的電流分布不同，測量靈敏度不同，采集信號的信噪比不相同，最終成像質量也不同。常見的注入電流模式主要包括：臨近驅動模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入電流模式（opposite method）和自適應注入電流模式（adaptive method）等。

電阻抗成像感應電流電阻抗成像（ICEIT）

感應電流電阻抗成像的原理是，它在被測目標的外圍放置若干個激勵線圈，對其施加交變電流，在空間產(chǎn)生交變磁場，從而在被測目標內激勵出感應電流。測量被測目標表面電極間的電壓差，并用此數(shù)據(jù)重構電導率擾動的分布，從而進行目標區(qū)域電導率的動態(tài)成像。

電阻抗成像磁共振電阻抗成像（MREIT）

針對常規(guī)電阻抗成像方法只能測量成像目標區(qū)域外周邊信息的問題，加拿大多倫多大學的Zhang于1992在其題為“Electrical impedance tomography based on current density”的碩士論文中提出將EIT與磁共振電流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）結合的磁共振電阻抗成像方法。

磁共振電阻抗成像技術（MREIT）就是一種把磁共振成像技術（MRI）和EIT技術結合起來的新型阻抗成像技術。MREIT技術發(fā)展的基礎在于磁共振能夠檢測注入電流激勵磁場沿磁共振主磁場方向的分量。利用這一原理，就能夠測量得到注入電流在成像目標內部激勵的磁場分布，進而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計算得到注入電流在成像目標內的電流密度分布，再結合成像目標邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標體的阻抗分布，這就是MREIT技術的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感應電流磁共振電阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），將非接觸概念引入磁共振電阻抗成像方法。采用外部非接觸線圈代替電極，將被測物放置于設計的幾何中心位置，線圈通電后被測物處于交流一次磁場中，該一次磁場在被測物內部感應生成渦流產(chǎn)生二次磁場。二次磁場可由MRI設備測得，其中包含足夠的信息用來重建圖像。

電阻抗成像磁感應成像方法（MIT）

ICEIT采用電極測量成像目標體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費時間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵和測量全部采用線圈的非接觸方式，通過測得的表面磁場重建電導率分布的磁感應成像方法（MIT）。應用于醫(yī)學領域的磁感應成像方法的研究始于1993年，英國Swansea大學的Al-Zeibak等首次報道了用于醫(yī)學的MIT實驗系統(tǒng)，能夠通過重構圖像區(qū)分出脂肪與脫脂組織的輪廓和幾何尺寸。

MIT的基本原理是，激勵線圈產(chǎn)生頻率的交變磁通密度，將成像目標體置于激勵磁場中，成像目標區(qū)域內產(chǎn)生渦旋電場，由于區(qū)域內部包含導電介質，因此產(chǎn)生渦旋感應電流，該渦流同時會產(chǎn)生二次感應磁通密度并能改變原激勵磁通密度的強弱和空間分布，在接收線圈上可以檢測到相應的感應電壓。通過檢測到的測量線圈的感應電壓的變化可以間接地反映導體的電導率分布，進行圖像重構。由理論分析可知，二次感應磁通密度的實部由位移電流引起，與導體的介電常數(shù)有關，虛部由渦旋電流感生，與導體的電導率近似成線性關系。

電阻抗成像電磁阻抗成像（EMIT）

Levy等人提出了一種成像技術叫電磁阻抗成像（EMIT），既測量EIT的邊界電壓，又通過線圈記錄外部磁場。他們通過數(shù)值模擬得出結論，附加的一小部分磁場的測量可以減小EIT問題的條件數(shù)，即改善了問題的病態(tài)性。

電阻抗成像電場電阻率成像（EFT）

還有另外一種完全非接觸電阻抗成像方法——電場電阻率成像（EFT）[90]。這種成像方法采用與成像體非接觸的電極激勵交變電場，激勵電極在成像目標體近表面產(chǎn)生感應電荷，而在遠離電極的一面產(chǎn)生相反電荷，使得測量電壓和激勵電壓之間的相移攜帶有成像目標體電阻率特性信息，進而可以建立相移與電阻率的對應關系，據(jù)此重構出成像體電阻率分布圖像。

電阻抗成像磁探測電阻抗成像（MDEIT）

磁探測電阻抗成像（MDEIT）通過貼在成像目標體的成對電極，向成像目標體注入一定頻率的交變電流，然后用某種形式的接收裝置，例如感應線圈、超導量子干涉儀（SQUID）等，測量注入電流在成像目標體外產(chǎn)生的磁場，根據(jù)表面磁場的反問題求解獲得產(chǎn)生磁場的電流分布，進而從電流分布重構出電導率分布圖像。

綜上所述，電阻抗成像（EIT）主要包括注入電流電阻抗成像方法（ACEIT），感應電流電阻抗成像方法（ICEIT），磁共振電阻抗成像方法（MREIT）和電磁阻抗成像（EMIT），磁感應成像方法（MIT），電場電阻率成像方法（EFT）和磁探測電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵方式和傳感接收方式各不相同，見表1。

表1 EIT各種方法的激勵和傳感方式的比較

CMOS的攝像機在成像質量上比不上CCD感光器件。