彩色编码摄影及光学数字彩色图像解码
-
贵州民族大学
《信息光学》
彩色编码摄影及光学
/
数字彩色图像解码<
/p>
学
院
计算机与信息工程学院
专
业
光
信
息
班
级
09
光
信
息
姓
名
张
家
文
学
号
2
指导教师
葛
一
凡
老
师
2012
年
6
月
14
日
1
彩色编码摄影及光学
/
数字彩色图像解码
张家文
摘要：
光学信息处理可完成对二维图像的识别、增强、恢复、传输、变换、
频谱分析等。从物理光学的角度，光学信息处理是基于傅立叶变换和光学
频谱
分析的综合技术，通过在空域对图像的调制在频域对傅立叶频谱的调
制，借助空间滤波的
技术对图像进行光学
/
数字编码解码处理，使其还原出
来的图像。
关键词：
信息处理
傅里叶变换
频谱
编解码
2
目录
一研究背景
..................................4
1
传统彩色摄影方法
....................
.............4
2
数码的成像方法
...............................
....4
3
分色记录彩色影像
的方法
...........................5
4
彩色编码摄影和光学
/
数字彩色图像解码系统
..........6
二
彩色编解码原理
< br>...........................9
1
彩色编码
.............................
.....9
2
光学法彩色解码
..................................10
3
计算机数字解码
.....................
.......11
三
课题内容<
/p>
.................................13
1
光学解码
...........
.......................13
2
数字解码
..................................1
6
四
课
题总结
................................18
五
参考文献
.
...............................19
3
一
研究背景
从古至今，人们采用了许多
办法来记录人们所需要的信息，
对物体形状，颜色的记录也有许多的方法，例如
1
、传统彩色摄影方法
图
1
传统的彩色摄影胶片结构
我们常用的
彩色摄影胶片是将卤化银颗粒均匀分散于明胶
中，制成照相乳剂，它在摄影过程中起感光
作用，再将制得的照
相乳剂涂布在高分子材料的片基上形成彩色胶片，其基本结构如
上图所
示。一
般的彩
色胶片
由三个
主要感
光乳剂
层
(major
photosensitive
layers)
组成，分别对三原色敏感，同时每个主
要感光乳剂层大致上又由三层组成，
它们分别具有高中低不同的
感光度。这样，彩色胶片就由十层以上的感光乳剂层组成，一
层
一层相互覆盖形成一个三维的感光体系。换句话说，这样的彩色
胶片就可以捕捉到在较大动态范围内的全色影像。
2
、数码的成像方法
目前数码感光器件分为
CCD
和
CMOS
两大类。
< br>CCD
称为电荷耦
合半导体器件，
CMOS
称为互补型金属氧化物场效应器件，它们都
是半导体
器件，其工作原理没有本质的区别。它们在数码照相机
中的作用是把影像的光信号转变为
电信号并分别寄存起来，在外
4
加
扫描信号的作用下传输出去，最后经过各种运算转换为图像的
数码文件。光线透过镜头射
入半导体，光子被半导体吸收，这样
光学图像在感光单元上转换成为与光学图像中各相应
像素上光照
成正比的电荷包，每个电荷包就是图像的亮度信息，最后通过暂
存区和信号读出寄存器把信号通过中央处理器进行信号处理后传
输到存储器。
一个好的影像传感器如果能够使得感光单元占据更
多的比表面积，那么它的效率越高，再
生像的准确度也越高。数
码图像传感器利用感光单元来接受光线的强度，但对光线的色彩
没有识别能力。为了让它感知色彩，现在的常规做法是在每个图
像传感器单元的前面加上滤色镜，这又可以分为原色
RGB
滤镜
和
补色
CMYG
滤镜两种，这种技术被
称为马赛克技术（
Mosaic
）
。<
/p>
下面以
RGB
原色滤镜为例，其基本原理如图
2
所示，红色滤
色镜只能通过红色成分光线而拒绝其它颜色光线通过，同样蓝色
滤色镜只能通过蓝色成分光线。这样红、绿、蓝滤镜有规律的严
格排列
，通过这种方式在所有感光单元前都加上滤色镜。再编制
一个工作程序，使得照相机
CPU
中央处理器知道每个感光单元对
应的
位置，这样每个感光单元就有了一个加权排列序号，输出的
信号中不但包括色彩信息和亮
度信息，同时还包括位置信息。最
后所有这些加权图像信息汇总后由图像处理引擎运算得
出一个复
原图像，也是我们最后获得的照片信息。这个色彩计算过程就是
我们所谓的插值，可以说数码相机的色彩还原完全是根据设计者
的软件编制方法
把原始景物的色彩信息计算出来的。
图
2
RGB
原色滤镜基本原理
3
、分色记录彩色影像的方法
(
黑白胶片作记录介
质
)
传统的用黑白胶片拍彩照是利用三原色的分色原理。用三
种
原色（红、绿、蓝）的滤光镜分别拍摄三张黑白照片（分色照片）
的底片，
分别取得被摄物的三原色信息
[1]
。
再进行合成印刷，
即可
以
将色彩还原，得到与被摄物色彩一致的彩色照片。这一方法也
是分色印刷和印染法技术的
基础
[2]
。其基本原理如下图
3
所示。
5
（
a
）
（
b
）
4
、彩色编码摄影和光学
/
数字彩色图像解码系统
彩色编码摄影和光学
/
数字彩色图像解码系统是基于光学信
息处理技术，
也就是是基于傅立叶变换
[3]
和光学频谱分析的综合技
术，通过在空域对图像的调制，
在频域对傅立叶频谱的调制，借
助空间滤波的技术对光学信息（图像）进行处理的彩色图
像记录
系统。通过用特殊的三色光栅编码器对物函数的颜色调制
(
编码
)
记录彩色信息，
再将编码的物函数通过
4f
光学处理系统的傅里叶<
/p>
变换和频谱面上的彩色滤波得原物的彩色图像。
光学信息处理的理论基础是阿贝（
Abbe
）二次衍射
成像理论
和著名的阿贝
-
波特（
Abbe-Porter
）实验。阿贝成像理论认为，
物体通过透镜成像过程是物体发出的光波经物镜，在其后焦面上
产生夫琅禾费衍
射的光场分布，即得到第一次衍射的像（物的傅
里叶频谱）
；然
后该衍射像作为新的波源，由它发出次波在像面上
6
干涉而成物体的像，称为第二次衍射成像，如图
4
所示。
图
4
阿贝成像理论示意图
进一步解释，物函数可以看作由许多不同空间频谱的单频
（基元）信
息组成，夫琅禾费衍射将不同空间频率信息按不同方
向的衍射平面波输出，通过透镜后的
不同方向的衍射平面波分别
汇聚到焦平面上不同的位置，
即形成
物函数的傅里叶变换的频谱，
频谱面上得光场分布与物函数（物的结构）密切相关。不难
证明，
夫琅禾费衍射过程就是傅里叶变换过程，而光学成像透镜即能完
< br>成傅里叶变换运算，称傅里叶变换透镜。
阿贝成像理论
由阿贝
-
波特实验得到证明：
物面采用
正交光栅
（网格状物）
，用平行单色光照明，在频谱面放置不同
滤波器改变
物的频谱结构，则在像面上可得到物的不同的像。实验结果表明，
像直接依赖，只要改变频谱的组份，便能改变像。这一实验过程
即为光学信
息处理的过程，如图
5
所示。
如果对物或频谱不进行任何调制（改变）
，物和像是一致的，
若对物函数或频谱函数进行调制处理，由图
5
所
示的在频谱面采
用不同的频谱滤波器，即改变了频谱则会使输出的像发生改变而
得到不同的输出像，实现光学信息处理的目的。
7
图
5
阿贝
-
波特实验
典型的光学信息处理系统为
如图
6
所示的
4f
傅里叶变换系
统：光源
S
经扩束镜
L
产生平行光照射物面（输入面）
，经
傅里叶
透镜
L1
变换，在其后焦面
F
处产生物函数的傅里叶频谱，再通过
透镜
L2
的傅里叶逆变换，在输出面上将得到所成的像（像函数）<
/p>
。
图
6
4f
光学信息处理系统
光学彩色编码摄影和彩色图像的解码实验：是根据南开大学
现代光学
研究所母国光等人的发明专利“用黑白感光片做彩色摄
影的白光光学信息处理技术”编排
的，是基于上述傅里叶变换和
频谱滤波的原理，通过用三色光栅编码器对函数的颜色调制
（编
8
码）记录彩色信息，在将编码的物函数通过
4f
光学处理系统的
傅
里叶变换和频谱面上的彩色滤波得到原物的彩色图像。实验内容
不但包括了现代光学中光信息的传递、变换、编码、解码、滤波、
记录、恢复、显示、
运算，而且涉及几何光学、物理光学、色度
学及计算机图像处理等理论和技术。
二
彩色编解码原理
1
彩色编码
彩色编码是利用三色光栅对物函数作空间调制，即对图像的
不同颜色进行空间彩色编码
。让景物的不同颜色部分在黑白底片
上呈有不同方向的光栅条纹。这一编码过程是由三色
光栅编码器
实现的，
现称为
TOCM<
/p>
（全光彩色调制器）
，
图
7
为三色光栅示意图，
它是由三个不同取向的红黑、绿
黑和蓝黑光栅迭加在一起构成的
彩色网屏。当对彩色景物编码拍摄时，三色光栅与黑白底
片紧密
接触，通过三色光栅的彩色信息在黑白底片上被光栅编码，即景
< br>物的红色部分在底片上有水平方向条纹，绿色部分有垂直方向条
纹，蓝色部分有斜
方向条纹，其他颜色为某两个取向或三个取向
的条纹迭加编码，如图
8
为彩色编码示意图。拍摄采用该三色光
栅编码器，一次拍
摄即可完成全彩色编码。这一步称为彩色编码
照相，即用光栅调制的物理方法记录彩色信
息，而不是用彩色胶
片的化学方法记录彩色信息。
图
7
三色光栅示意图
9