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摄像系统知识

2017-01-171502
 一、摄像机简介

摄像机的主要功能为,将来自镜头光学图像聚焦,经由CCD转换为随时间变化的视频信号,再经摄像机内部线路处理CCD转换视频信号,然后经由同轴或光缆或其它传输途径将信号传送至监视器上显视。
摄像机是根据光电原理将光学图像转换成电信号。主要由摄像头、信号处理单元组成。摄像头与内窥镜相连接,将内窥镜物镜端的图像以电讯号的方式输入到信号转换器。
摄像头由电荷耦器(CCD)芯片(如图所示)、放大处理单元组成。CCD由许多光敏器元件组成,光敏器可将光能转变成电信号并产生最小图像单位――像素(pixel),将这些像素形成一个整体化组合就可产生彩色画面。

 

二、CCD介绍

CCD由微型镜头、分色滤色片、感光汇聚层构成

 (1) CCD第一层“微型镜头”
我们知道,摄像机成像的关键是在于其感光层,为了扩展CCD的采光率,必须扩展单一像素的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定,而改由微型镜片的表面积来决定。

注:这是为了有效提升CCD 的总像素,又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准体积。因此,必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率來增加受光面积,反而使成像质量变差。所以,开口率只能提升到一定的极限,否則CCD将成为劣品。为改善这个问题 SONY率先在每一感光二极体上(单一像素)裝置微小鏡片。这个设计就像是帮CCD掛挂上眼镜一样,感光面积不再因为感测器的开口面积而決定,而改由微型镜片的表面积来決定。如此一来,可以时兼顾单一像素的大小,又可在规格上提高了开口率,使感光度大幅提升。

 

(2)第二层是“分色滤色片”
CCD的第二层是“分色滤色片”,目前有两种分色方式,一是RGB原色分色法,另一个则是CMYK补色分色法这两种方法各有优缺点。首先,我们先了解一下两种分色法的概念,RGB即三原色分色法,几乎所有人类眼镜可以识别的颜色,都可以通过红、绿和蓝来组成,而RGB三个字母分别就是Red,Green和Blue,这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK,这是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是青(C)、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中,CMYK更为适用,但其调节出来的颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题。因此,大家可以注意,一般采用原色CCD的数码相机,在ISO感光度上多半不会超过400。相对的,补色CCD多了一个Y黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像的分辨率,而在ISO值上,补色CCD可以容忍较高的感光度,一般都可设定在800以上

 

(3)第三层:感光层
CCD的第三层是“感光片”,这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片,将影像还原。
摄像机依据摄像头所使用的CCD的片数,分为三晶片摄像机和单晶片摄像机。三晶片摄像机,即由三个CCD晶片组成,分别是红色感应CCD,绿色感应CCD及蓝色感应CCD,它们分别感应不同的颜色,最后进行混合显示;而单晶片是直接感应混合色。
单晶片与三晶片CCD的比较:


图1单晶片

CCD的感光原理

单晶片CCD由一个CCD直接对R、G、B三色进行感光,转换成电信号传至后处理电路。

 

图2 三晶片CCD的感光原理


在3CCD的摄像头内设有一组三棱镜,把光线分为三原色光: 红色、绿色和蓝色。三原色光再分别经过三块独立的CCD影像感应器处理。

 

三、与摄像机相关的几个概念

(1)分辨率:将光学仪器最小分辨角的倒数称为这个仪器的分辨本领(即分辨率)
(2)最低照度:是评价摄像机摄像的极限光强,其单位是“LUX”(1勒克斯是1流明光通量均匀投射到1平米面积上产生的照度,流明是光通量的单位。)
(3)白平衡(B/W):白平衡是一个很抽象的概念,最通俗的理解就是让白色所成的像依然为白色,如果白是白,那其他物体的影像就会接近人眼的色彩视觉习惯;即白平衡就是无论环境光线如何,都让摄像机默认为“白色”,就是让他能认出白色,而平衡其他颜色在有色光线下的色调。调整白平衡的过程叫做白平衡调整。
(4)增益:一个小的信号Level(电平)经过放大电路成为大的信号Level(电平),也就是說由小变大之间的差异就叫增益。
(5)自动增益控制(AGC):在光亮度较暗的情况下,自动提高感光强度从而使在低照度环境下所拍摄的物体也能清晰可辨。
(6)背光补偿:背光补偿也称作逆光补偿或逆光补正,它可以有效补偿摄像机在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。当引入背光补偿功能时,摄像机仅对整个视场的一个子区域进行检测,通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低,AGC放大器会有较高的增益,使输出视频信号的幅值提高,从而使监视器上的主体画面明朗。此时的背景画面会更加明亮,但其与主体画面的主观亮度差会大大降低,整个视场的可视性得到改善。

 

四、DVL系列内窥镜摄像机介绍

目前国内市场上知名品牌有德国KAPPA(柯帕)、Karl Storz(史托斯) Wolf(狼) Aesculap(蛇)、Strker(史塞克)、 Circon(顺康)等,但由于进口医用内窥镜摄像机价格非常高,国内许多医院仍在使用工业用的摄像机代替医用内窥镜摄像机用,但其各项参数根本不能达到医用内窥镜的要求。内窥镜摄像机集成度高、涉及领域广、国内各方工艺无法达到其生产水平,致使国内厂家在这一领域落后国际水平。为解决国内医用内窥镜摄像的现状,合肥德铭电子有限公司投入大量资金,依托中国科技大学的科研资源、引进德国一流技术、采用SONY高清晰专用CCD生产出了具有国际品质的DVL系列内窥镜摄像机。

 

DVL系列内窥镜专用摄像机的特点:
(1)高分辨率(解析度达580线),真实、清晰显示解剖结构,腔内情景一览无余;
(2)色彩还原性好,能真实地再现各类不同颜色的组织;
(3)灵敏度高(1LUX),在极暗的环镜下也能非常清晰的成像,并且色彩真实再现。
(4)在任何情况下都能自动、手动白平衡调节。
(5)增益自动控制(AGC)、手动增益控制
(6)自动调焦功能,一定范围内无需手动调节;方便临床医生的使用。
(7)自动背光补偿,DVL系列的摄像机使用Smart control功能自动调节光圈和增益,达到最佳平衡,其结果是能够在强光或光线变化很大的环境下也能拍摄到清晰的图像。方便临床医生的使用
(7)操作简单;人性化的设计,无需专业人员即能操作
(8)一体多用的设计,可以接不同科室的内窥镜完成不同的手术。

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