[發明專利]用于數字成像的彩色濾波陣列及其成像方法

無效

• 申請號: 200610095151.5
• 申請日: 2006-09-22
• 公開（公告）號: CN101150731A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發明（設計）人: 羅罡;劉敏
• 申請（專利權）人: 羅罡;劉敏
• 主分類號: H04N9/04
• 分類號: H04N9/04
• 代理公司: 重慶華科專利事務所
• 代理人: 徐先祿

技術領域

本發明涉及一種用于數字成像的彩色濾波陣列及其成像方法。

背景技術

一個顏色通常可由三原色來表達。在使用單片固體成像傳感器(CCD或CMOS器件)進行彩色照相時，每個成像單元被設計成只探測三原色中的一種。決定某個單元探測哪種顏色的是傳感器前面的彩色濾波陣列(Color?filter?array)，而一個單元處另外兩個顏色成份需要通過插值算法來推算，其計算工作是由數字成像設備中的計算機對數字化的信號處理完成。在最常用的Bayer陣列中(見圖1)，紅(R)綠(G)藍(B)單元交錯排列，綠單元占全部傳感單元的50％，而紅和藍各占25％。安排綠色單元占多數的原因是：光照度對圖像分辨率起最重要的作用，而人的視覺系統對綠色的感知最接近對光照度的感知。這從電視信號中的光強信號計算公式可以看出(Y＝0.59G+0.3R+0.11B)，綠色分量對照度的貢獻最大，大于紅色和藍色。然而，50％綠、25％紅、25％藍的分配并非是適合人視覺系統的最佳組合，一些專利還提出了綠色占多于50％的彩色濾波陣列，如美國專利5374956陣列中的綠色占了75％。但是不管怎樣，綠色分量并不等于照度。對于紅色或藍色豐富的畫面，這些陣列往往造成較大失真。

美國專利5323233提出了一種彩色濾波陣列，其中含有50％的中性單元用于直接探測照度，而輸出信號中的色度信號則來自于剩余的彩色濾波單元。該陣列的特點是中性濾波單元與各彩色單元均勻混合在一起交錯排列。這樣造成各彩色單元之間相隔較遠。這樣的排列會產生較嚴重的顏色失真，尤其是在邊緣處。下面用一個例子說明這種顏色失真。

假設用兩個彩色濾波陣列A和B對一個黑白邊緣(圖像值從100跳變為40)進行采樣。陣列A和B擁有相同的采樣頻率(每隔3點采樣)，但不同的排列。采樣陣列中的1表示在此點采樣，x表示在此點不采樣。使用陣列A時，紅綠藍采樣在同一象素處，而使用陣列B時，紅綠藍錯開一個象素采樣。假設在每一顏色層中分別用簡單的線性插值方法來估算沒有被采到的象素(標記為x)，計算結果可見上表，帶下劃的數值表示它們是由采樣數據復制而來，它們之間的象素是通過插值計算而來。

可以看到由陣列A和B得到的結果有兩點不同。一是有誤差的象素個數(A為2個象素，B為4個象素)，這些象素用粗斜體字標出。第二個差別是人視覺系統對誤差的接受程度，由A得到結果是由白到灰再到黑，這種漸變給視覺系統的只是一個有點模糊的黑白邊緣(圖像值由100漸變為80，60而最終40)，而由B得到的結果則是一個帶彩色失真的邊緣(在邊緣處每個象素的紅綠藍值不相同)。這一個例子說明了，要減小失真，要減少人視覺系統敏感的失真，三原色濾波單元應盡量靠近。而美國專利5323233中彩色單元散落在中性單元之間則會造成較嚴重彩色失真。如果在這樣的陣列中設計更多的中性單元，彩色單元之間將間隔更遠，彩色失真將更嚴重。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于數字成像的彩色濾波陣列，該陣列的排列方式具有對照度信息的采樣頻率高且光能收集效率高的特點，而對色度信息則具有采樣率低但采樣集中的特點；通過在照度一色度顏色空間中將照度信息和色度信息合成，可得到高分辨率、低彩色失真、高靈敏度的彩色圖像。本發明還提供基于該彩色濾波陣列的數字成像方法。

本發明所述的用于數字成像的彩色濾波陣列，包括多個中性照度單元和多個彩色濾波單元(參見圖2)，其特征在于：中性照度單元占大多數，一般大于55％，特殊應用中可高達92％，而彩色濾波單元占少數；彩色濾波單元排列成沿行、列方向重復的彩色濾波小區，每個彩色濾波小區內至少含有三個三原色彩色單元，分別與三原色紅綠藍或者青品黃對應。

所述的用于數字成像的彩色濾波陣列，其特征在于：彩色濾波小區在行和列方向上每間隔3個或4個，甚至更多單元重復出現，彩色濾波小區的重復排列為網格形式、或者為交錯形式；每一個彩色濾波小區由三個三原色彩色單元、或者由三個三原色彩色單元和三原色之一的彩色單元組成。

減色混合的三原色—青(C)品(M)黃(Y)在一些數碼相機中也有應用，如Kodak?DCS620X數碼相機。為保證色彩的真實性，有時青品黃還與綠色配合使用，如Canon?PowerShot?G1。同理，本發明所述的彩色濾波陣列還可以由減色混合的三原色—青品黃構成。

彩色濾波單元的光譜透過特性分別與現行的彩色濾波陣列中的單元相同。中性照度單元對光譜沒有選擇性，可為中性密度濾波器(即只對光強衰減性透過)或完全透明。