攝像機(jī)成像簡(jiǎn)介

攝像機(jī)從接收光信號(hào)到輸出電信號(hào)的過程，特別是怎樣把色彩信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

CMOS攝像機(jī)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(gè)對(duì)比，以更好了解CMOS圖像處理器。相比于CCD，CMOS的優(yōu)點(diǎn)由于：

1） 設(shè)計(jì)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(zhì)影響程度高，成本高CMOS整合集成，成本低

4） 解析度連接復(fù)雜度低，解析度高低，新技術(shù)高

5）噪點(diǎn)比單一放大，噪點(diǎn)低百萬放大，噪點(diǎn)高

6） 功耗比需外加電壓，功耗高直接放大，功耗低

由于構(gòu)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(hào)在傳輸時(shí)不失真（專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)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(jiǎn)單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先行放大再整合各個(gè)像素的資料。圖3為CMOS成像模塊示意圖。

CMOS攝像機(jī)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(yīng)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(yùn)算才能得到每個(gè)像素的RGB值。

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

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

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

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

CMOS攝像機(jī)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(jiǎn)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(lán)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(diào)節(jié)性，所以即使物體色溫不同，也能正確識(shí)別出顏色。但是CMOS圖像傳感器沒有自調(diào)節(jié)性，所以當(dāng)在戶外日光下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會(huì)因?yàn)樯珳馗叨{(lán)。而在室內(nèi)的熒光燈下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會(huì)因?yàn)樯珳氐投t。要得到正確的顏色，必須進(jìn)行白平衡。白平衡的基本原理是調(diào)整顏色的色溫，使其保持在一個(gè)特定的范圍內(nèi)。

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(zhǎng)的成像方法。許多早期的文獻(xiàn)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(xué)者為了將它與其他激勵(lì)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(duì)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(nèi)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(qū)動(dòng)電流/電壓，在體外測(cè)量電壓/電流信號(hào)，并依據(jù)相應(yīng)的快速重組算法重建人體內(nèi)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(nèi)部形成的電流分布不同，測(cè)量靈敏度不同，采集信號(hào)的信噪比不相同，最終成像質(zhì)量也不同。常見的注入電流模式主要包括：臨近驅(qū)動(dòng)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(yīng)注入電流模式（adaptive method）等。

電阻抗成像感應(yīng)電流電阻抗成像（ICEIT）

感應(yīng)電流電阻抗成像的原理是，它在被測(cè)目標(biāo)的外圍放置若干個(gè)激勵(lì)線圈，對(duì)其施加交變電流，在空間產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，從而在被測(cè)目標(biāo)內(nèi)激勵(lì)出感應(yīng)電流。測(cè)量被測(cè)目標(biāo)表面電極間的電壓差，并用此數(shù)據(jù)重構(gòu)電導(dǎo)率擾動(dòng)的分布，從而進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)成像。

電阻抗成像磁共振電阻抗成像（MREIT）

針對(duì)常規(guī)電阻抗成像方法只能測(cè)量成像目標(biāo)區(qū)域外周邊信息的問題，加拿大多倫多大學(xué)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(jié)合的磁共振電阻抗成像方法。

磁共振電阻抗成像技術(shù)（MREIT）就是一種把磁共振成像技術(shù)（MRI）和EIT技術(shù)結(jié)合起來的新型阻抗成像技術(shù)。MREIT技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于磁共振能夠檢測(cè)注入電流激勵(lì)磁場(chǎng)沿磁共振主磁場(chǎng)方向的分量。利用這一原理，就能夠測(cè)量得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)部激勵(lì)的磁場(chǎng)分布，進(jìn)而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以計(jì)算得到注入電流在成像目標(biāo)內(nèi)的電流密度分布，再結(jié)合成像目標(biāo)邊界電壓分布，利用特定算法就能夠重建成像目標(biāo)體的阻抗分布，這就是MREIT技術(shù)的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感應(yīng)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(cè)物放置于設(shè)計(jì)的幾何中心位置，線圈通電后被測(cè)物處于交流一次磁場(chǎng)中，該一次磁場(chǎng)在被測(cè)物內(nèi)部感應(yīng)生成渦流產(chǎn)生二次磁場(chǎng)。二次磁場(chǎng)可由MRI設(shè)備測(cè)得，其中包含足夠的信息用來重建圖像。

電阻抗成像磁感應(yīng)成像方法（MIT）

ICEIT采用電極測(cè)量成像目標(biāo)體表面電壓，依然存在因貼放大量電極而浪費(fèi)時(shí)間和處理極不方便等困難。為此，Korjenevsky等人提出激勵(lì)和測(cè)量全部采用線圈的非接觸方式，通過測(cè)得的表面磁場(chǎng)重建電導(dǎo)率分布的磁感應(yīng)成像方法（MIT）。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的磁感應(yīng)成像方法的研究始于1993年，英國(guó)Swansea大學(xué)的Al-Zeibak等首次報(bào)道了用于醫(yī)學(xué)的MIT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠通過重構(gòu)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(lì)線圈產(chǎn)生頻率的交變磁通密度，將成像目標(biāo)體置于激勵(lì)磁場(chǎng)中，成像目標(biāo)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，由于區(qū)域內(nèi)部包含導(dǎo)電介質(zhì)，因此產(chǎn)生渦旋感應(yīng)電流，該渦流同時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次感應(yīng)磁通密度并能改變?cè)?lì)磁通密度的強(qiáng)弱和空間分布，在接收線圈上可以檢測(cè)到相應(yīng)的感應(yīng)電壓。通過檢測(cè)到的測(cè)量線圈的感應(yīng)電壓的變化可以間接地反映導(dǎo)體的電導(dǎo)率分布，進(jìn)行圖像重構(gòu)。由理論分析可知，二次感應(yīng)磁通密度的實(shí)部由位移電流引起，與導(dǎo)體的介電常數(shù)有關(guān)，虛部由渦旋電流感生，與導(dǎo)體的電導(dǎo)率近似成線性關(guān)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(shù)叫電磁阻抗成像（EMIT），既測(cè)量EIT的邊界電壓，又通過線圈記錄外部磁場(chǎng)。他們通過數(shù)值模擬得出結(jié)論，附加的一小部分磁場(chǎng)的測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(lì)交變電場(chǎng)，激勵(lì)電極在成像目標(biāo)體近表面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而在遠(yuǎn)離電極的一面產(chǎn)生相反電荷，使得測(cè)量電壓和激勵(lì)電壓之間的相移攜帶有成像目標(biāo)體電阻率特性信息，進(jìn)而可以建立相移與電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此重構(gòu)出成像體電阻率分布圖像。

電阻抗成像磁探測(cè)電阻抗成像（MDEIT）

磁探測(cè)電阻抗成像（MDEIT）通過貼在成像目標(biāo)體的成對(duì)電極，向成像目標(biāo)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(yīng)線圈、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等，測(cè)量注入電流在成像目標(biāo)體外產(chǎn)生的磁場(chǎng)，根據(jù)表面磁場(chǎng)的反問題求解獲得產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分布，進(jìn)而從電流分布重構(gòu)出電導(dǎo)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(yīng)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(yīng)成像方法（MIT），電場(chǎng)電阻率成像方法（EFT）和磁探測(cè)電阻抗成像（MDEIT）。它們的激勵(lì)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(lì)和傳感方式的比較

CMOS的攝像機(jī)在成像質(zhì)量上比不上CCD感光器件。