图像信息的光电变换
图像光电转换的基本过程
图像光电转换的基本过程电视图像的传送是基于光电转换原理，而实现光电转换的关键器件是发送端的摄像管和接收端的显像管。
1. 图像的分解电视系统处理和传送的对象是光的景物，景物存在于三维空间，其光学特性（即景物的亮度和色度信息）不仅随空间位置的不同而不同，而且还与时间有关系（静止景物除外）。
因此，景物信息是三维空间和时间的函数，可用光学信息表达式为：。
但是目前的电视系统仍为平面彩色电视，只传输景物的二维光学信息，因此上式中的z可不考虑。
另外，这里仅讨论黑白平面活动图像，只需传输各像素的亮度信息，其光学信息表达式简化为：。
但是，亮度仍然是x、y、t的三维函数，而经传输通道传送的电信号为电压（或电流），只能是时间的一维函数为：。
实现转换的方法是：将景物信息分解成很多小点，这样就能以每个小点为单位进行光电转换和传送。
因此，对于每个小点来说，其光学特性以及经光电转换得到的电信号就只与时间有关了，也就是将景物信息转化成时间的一维函数。
将景物图像化整为零的方法称为图像的分解，分解之后的小点称为像素。
所谓像素，就是组成图像的元素，即基本单位，具有单值的亮度信息和空间位置。
一幅电视图像由许许多多个像素组成，电视系统能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。
在我国的黑白广播电视标准中，一幅图像包含大约40～50万个像素。
图像的结构—导学。
图像的分解是在摄像端的光电转换和扫描过程中完成的。
在接收端，通过显示装置的扫描和电光转换作用，这些被分解的像素又会在屏幕上合成出原来的图像，从而实现电视的全过程。
2.图像的传送一幅图像由许多像素组成，这些像素的亮度信息经光电转换之后变成相应的电信号。
电视系统的任务是将各像素的变换成, 实现转换的方式，有同时传输制和顺序传输制。
●像素信息同时传输制将构成一幅图像的所有像素同时转换成电信号，并同时传送出去称为同时传输制，同时传输制所示，每个像素均需占用一条传输通道，一帧画面分解成几十万个像素就需要几十万条通道，这在技术和经济上都是不现实的。
光电成像原理与技术考试要点概要
光电成像原理与技术考试要点第一章：1. 试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
答:[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系，通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题[2] 收到的限制：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。
对波长超过毫米量级的电磁波而言，用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外，用于成像的电磁波也存在一个短波限。
通常把这个短波限确定在X射线（Roentgen射线与y射线（Gamma射线波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
2. 光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？光电成像技术突破了人眼的哪些限制？答:[1]应用:（1人眼的视觉特性（2各种辐射源及目标、背景特性（3大气光学特性对辐射传输的影响（4成像光学系统（5光辐射探测器及致冷器（6信号的电子学处理（7图像的显示[2]突破了人眼的限制：（1可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力（2可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力（3可以捕捉人眼无法分辨的细节（4可以将超快速现象存储下来3. 光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？答:［1］直视型:用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分,可直接显示输出图像，通常使用光电发射效应，也成像管.［2］电视型:于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应，不直接显示图像.4. 什么是变像管？什么是像增强器？试比较二者的异同。
答:［1］变像管:接收非可见辐射图像，如红外变像管等，特点是入射图像和出射图像的光谱不同。
［2］像增强器：接收微弱可见光辐射图像，如带有微通道板的像增强器等，特点是入射图像极其微弱，经过器件内部电子图像能量增强后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像。
第8章 光电成像系统上
光 扫 电 描 成 型 像 器 件 成 像 扫 描 型
像增强管（ 像增强管（图 像强度的变换） 像强度的变换）
主要由像 敏面、 敏面、电 子透镜＆ 子透镜＆ 显像面构 成
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8.3 光电成像原理与电视制式
8.3.1 光电成像原理
二维光学图像 二维电气图像 一维视频信号
二维光学图象
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摄像机的基本构成
镜头、话筒、机身、寻像器、电池盒等 镜头、话筒、机身、寻像器、 镜头（ 镜头（Lens)
聚焦环（Focus )； 变焦 (Zoom ) ：手动与自动 ；变焦倍率：15、17、16倍； 微距(Macro )；光圈(Iris )
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2009年诺贝尔奖物理学奖得主 年诺贝尔奖物理学奖得主
Fig.1贝尔实验室 贝尔实验室George 贝尔实验室 Smith和Willard Boyle将可视 和 将可视 电话和半导体存储技术结合 发明了CCD原型 发明了 原型
高锟——光纤之父 高锟——光纤之父
博伊尔&史密斯 博伊尔 史密斯—— 史密斯 发明CCD图像传感器 发明 图像传感器
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Hale Waihona Puke 摄像机结构1、光学系统（主 光学系统（ 要指镜头） 要指镜头） 2、光-电转换系统 （主要指摄像管或 固体摄像器件） 固体摄像器件） 3、信号处理系统 （主要指视频处理 电路） 电路） 4、自动控制系统 5、录像系统 6、附件
无人机传感器与检测技术 项目三 图像传感器认知
任务实施
1)实验室准备如图3-8所示的OV7670CMOS 图像传感器模块。 2)熟悉OV7670图像传感器模块，查阅资料， 汇报OV7670图像传感器的特性及各引脚含 义。 3)查阅资料，收集CMOS图像传感器模块的 种类、性能参数等资料，并填写表3-2。
图像清晰 不会烧伤感光面
CCD电容器阵列
移位寄存器
光敏元器件与移位寄存器分离式结构
单读式
光敏单元 转移栅
输出
移位寄存器
双读式
移位寄存器1 转移栅
移位寄存器2
输出 光敏单元
2048位MOS电容器线阵CCD内部框图
线阵CCD图像传感器的应用
扫描仪
字符识别
面阵CCD图像传感器的应用
数码摄像机
知识拓展
测量玻璃管的 直径与壁厚
2）作为光学信息处理装置的输入环节，可用于传真技术、 光学文字识别技术以及图像识别技术、传真、摄像等方面。
字符识别
车牌识别
3）作为自动流水线装置中的敏感器件，可用于机床、自 动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。
4）可作为机器人的视觉。
CCD图像传感器应用实例 医疗
项目三 图像传感器认知
图3-1 南半球上方火星影像
图3-2 北半球上方火星影像
项目描述
云台相机是航拍无人机不可或缺的设备之一，而图像 传感器则是云台相机的核心部件。图像传感器又称感光元 件，是利用传感器的光-电转换功能，将其感光面上的光信 号图像转换成与之成比例的电信号图像的一种功能器件。
固态图像传感器是由在单晶硅衬底上布设若干光敏单 元和移位寄存器集成制成功能化光电转移器件，光敏单元 也称为像素。一般可分为两种，一种是CCD，一种是CMOS。 无人机上搭载的云台相机一般为CMOS图像传感器，如DJI Inspire 2、DJI Phantom 4A/4P、Xiro Xplorer 4K上的云台相机 都搭载CMOS图像传感器。
光电信号处理方法
光电信号的增强
光电信号的增强主要通过光电倍增管、 雪崩二极管等器件实现，这些器件可 以在放大信号的同时，进一步提高信 号的信噪比。
增强后的光电信号可以更好地满足后 续处理的需求，提高整个光电系统的 性能和可靠性。
03 光电信号的数字化处理
数字信号处理的基本概念
数字信号
将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
小波变换
将信号分解成不同频率的子信号，可以对信号进行多尺度分析。
04 光电信号的调制与解调
调制与解调的基本概念
调制
将低频信号转换为高频信号的过程， 以便传输或处理。
解调
将调制后的高频信号还原为低频信号 的过程。
模拟调制技术
AM（调幅）
通过改变载波的振幅传递信息。
FM（调频）
通过改变载波的频率传递信息。
微型化
利用人工智能和机器学习等技术，实现光 电信号处理的智能化和自主化。
随着微纳技术的发展，光电信号处理将朝 着微型化的方向发展，实现更小体积、更 低功耗的系统。
02 光电信号的采集与预处理
光电信号的采集
1
光电信号的采集是光电信号处理的第一步，其目 的是将光信号转换为电信号，以便后续处理。
2
常用的光电信号采集器件包括光电二极管、光电 晶体管、光电池等，它们能够将光信号转换为电 流或电压信号。
光电信号处理
利用电子学和信息处理技术对光电信号进行采集、传 输、转换、增强、分析和理解的过程。
光电信号处理的应用领域
光学通信
利用光电信号处理技术实现高速、大容量的信息 传输。
环境监测
利用光电信号处理技术实现对大气、水质等环境 参数的实时监测。
ABCD
生物医学成像
显示与成像知识点
▪试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
▪2、光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？▪3、光电成像技术突破了人眼的哪些限制？▪4、光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？▪5、怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？人眼的视觉缺陷第一，有限的视见光谱域（光谱的限制）看不见红外图像和紫外图像第二，有限的视见灵敏域（灵敏度的限制）光线太暗的地方能见度不高第三，有限的视见分辨率（分辫力的限制）目标太小了看不清楚第四，对视觉信号无记忆能力（时间上的限制）看过但是不记得有效的波谱区是:亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、射线、射线等。
将波动方程应用于讨论电磁波成像就可知，只要像空间两点的距离大于衍射极限，即可分辨其间的光强分布，也就是能构成图像信息。
根据简化的电磁波衍射理论模型，两个像点间能够被分辨的最短距离为d，它等于式中，是电磁波的波长，是电磁波在像空间的介质折射率，是电磁波在像方的会聚角。
从这一衍射公式可知：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。
因此对波长超过毫米数量级的电磁波，如果用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
所以基本上排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阈的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降而限制了长波的电磁波用于成像而外，同时用于成像的电磁波也存在一个短波限制。
通常把这个短波限确定在射线(Roentgen)与射线(Gamma)的波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
光电成像器件按其工作方式可分为：直视型非直视型(扫描型或电视型)在非直视型光电成像器件中，又可根据其工作原理区分为以下几种。
第一种是光电摄像器件。
第二种是光电导摄像器件。
第三种是光电增强型摄像器件。
第四种是热释电摄像器件。
第五种是电荷耦合摄像器件。
第六种是通过光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列。
浙江传媒学院广播电视概论 第七章模拟电视基础小结
第七章模拟电视基础小结一、像素：组成图像的基本单元。
每个像素具有单值的光特性（亮度和色度）和几何位臵。
像素亮度既是空间（二维）函数，同时又是时间函数。
二、顺序制传送：按一定顺序将一个个像素的光学信息轮流转换成电信号，用一条传输通道依次传送出去，在接收端的屏幕上再按同样的顺序将电信号在相应的位臵上转换成光学信息。
特点：（1）发送端和接收端各有一个转换开关。
（2）转换开关用电子方法实现的，有很高的接通速度。
（3）收、发两端开关的接通要同步，保证图像的正确重现。
三、扫描：电视系统中顺序分解像素和综合像素的实现过程。
将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程（或逆过程）。
1、隔行扫描：指将一帧电视图像分成奇数场和偶数场两场来扫描，奇数场扫描画面的奇数行，偶数场扫描画面的偶数行，奇数场和偶数场图像嵌套在一起形成一幅完整的图像。
2、隔行扫描优点：（1）克服逐行扫描方式电视信号的带宽过宽。
（2）能在不改变帧频的条件下克服闪烁现象。
3、扫描同步：（1）同频：收发两端的扫描速度相同；（2）同相：收发两端的时空对应关系一致。
4、我国电视标准规定：（1）一帧扫描总行数为625行，其中，帧正程575行，帧逆程50行；（2）采用隔行扫描方式，每场扫描312.5行，场正程287.5行，场逆程25行；（3）场频为50Hz，场周期为20ms；（4）行频为15625Hz，行周期为64μs，行正程时间为52μs ，行逆程时间为12μs ；（5）扫描光栅的宽高比为4:3。
四、摄像器件产生图像信号原理：都是基于电荷储能原理（Charge Storage Principle）。
1、摄像管：利用了光电靶的作用和电子束的扫描来实现光电转换的摄像器件。
2、电荷耦合器件CCD：以电荷的多少代表图像信号的亮暗、以时钟信号控制代替电子束扫描实现图像信号的摄取、光电变换和输出的摄像器件。
CCD工作过程：光输入⇒电荷包存储⇒电荷包转移⇒信号电荷输出五、显像器件1、阴极射线管CRT：利用电子束的强弱随图像信号的大小变化，将一帧时域的图像信号在屏幕上变成一幅平面光学图像的显示器件。
传感器 简答题
1.简述压电式加速度传感器和压电式力传感器在基本结构上的不同点。
答：压电式加速度传感器有一惯性质量块，并通过弹簧压在压电元件上，感受了被测振动的质量块产生的惯性力，使得压电元件受力变形。
压电式力传感器，被测力通过传力元件实现测量，不需要惯性质量块。
2.涡流式位移传感器的涡流大小与哪些参数有关？答：（1）线圈激励电源的频率与幅值。
（2）线圈的几何参数，如匝数、半径等。
（3）金属导体的电阻率、磁导率、厚度等。
（4）线圈与金属导体的距离。
3.图示为电感式压力传感器原理图，图中p为被测压力试说明其工作原理。
答：（1）压力p作用时，膜片变形产生位移，且位移与压力成正比。
（2）膜片与铁芯的距离变化，导致线圈的电感发生变化，电感变化量与输入压力成正比。
4.简述金属热电阻的测温机理。
答：金属导体通过自由电子导电，而导电的实质是电子的定向运动过程。
当温度升高时，金属导体中的自由电子获得了更多的能量，因此使自由电子进行定向运动所需要的电能将增大，导电率减弱，电阻率增大。
反之当温度降低时，导电率增强，电阻率减小。
5.人工视觉系统图像输出装置大致分为哪两类？（1）一类是软拷贝。
（2）另一类是硬拷贝。
6.试回答与干扰有关的下列问题(1)什么是噪声？(2)形成干扰的条件是什么？答：（1）噪声定义为：在一有用频带内任何不希望的干扰或任何不希望的信号。
（2）形成干扰的三个条件为：干扰源、干扰的耦合通道、干扰的接收通道。
7．用框图表示传感器的组成原理，并简要说明各部分的作用。
答：框图如下所示：敏感元件感受被测物理量，且以确定关系输出另一个物理量；转换元件是将敏感元件输出的非电量转换为电路参数及电流或电压信号；基本转换电路将电信号转换为便于传输、处理的电量。
8．在光栅式位移传感器中，光路系统选择的依据是什么?有哪几种光路系统?答：光路系统应根据传感器中所采用的光栅的形式来选择。
光路系统有透射式光路和反射式光路。
9．说明人工视觉系统中图像处理部分的作用。
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1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本 低，体积小，结构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事 业有了更大的发展。
1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析 像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展 产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm） 靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余 辉效应影响了它的采样速率。
式中thf为行扫描周期，而W/thf应为电子束的行扫描速度，记为
vhf，式可改写为
f=fx·vhf
CCD与CMOS只有遵守上述的扫描方式才能替代电子束摄
像管，因此，CCD与CMOS的设计者均使其自扫描制式与电子
束摄像管相同。
• 8.2.2 电视制式 电视图像发送与接收系统中，图像的采集与图像显示器必需 遵守同样的规则才有理想图像的传输。该规则被称为电视制式。 电视制式根据当时科技发展状况和技术条件，考虑本国或本 地区电网对电视系统的干扰情况及人眼的视觉感受和人们对图像 的要求等条件制定。 目前，世界正在应用的电视制式一般有三种： 我国以及西欧各国的彩色电视制式，该电视制式确定的场频 为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频带宽 为6.5 MHz。也称为PAL彩色电视制式。 PAL电视制式规定场周期为20ms,其中场正程时间为18.4ms, 场逆程时间为1.6ms；行频为15625 Hz，行周期为64μs,行正程时 间为52μs,行逆程时间为12μs。
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图 像传感器的新时代。
利用CCD图像传感器人们可以近距离的实地观测星球表面的 图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器官内部的病变图像信息， 可以观察人们不能直接观测的图像。
CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。 CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。
也与图像传感器的性质有关。 面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包输出一维时序信号； CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式完成像元
信号的一维输出。 面阵CCD、CMOS图像传感器以自扫描方式输出电信号。 CRT监视器或电视接收机的显像管是利用电磁场使电子束偏
转实现行与场扫描，对于行、场扫描的速度、周期等参数进行严 格的规定，才能显示理想的图像。
扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号， 存入计算机，并在软件的支持下完成图像处理、存储、传输、显 示及分析等功能。
扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的 应用范围。
直视型图像传感器用于图像的转换和增强。将入射辐射图像 通过外光电转化为电子图像，再由电场或电磁场的加速与聚焦进 行能量的增强，并利用二次电子的发射作用进行电子倍增，最后 将增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。
1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管 （Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器 日益增长的需要。
1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD） 的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段。
CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，它自扫描输 出方式消除了电子束扫描造成的图像的非线性失真。
即图像分割得越细，像质量越高。
高质量的图像来源于高质量的摄像系统，其中主要是高质 量的光电图像传感器。
• 2. 图像的分割与扫描 分割图像的方法有很多，超正析像管利用电子束扫描光电阴
极方法分割像元； 面阵CCD、CMOS图像传感器用光敏单元分割。 被分割后的电气图像经扫描输出一维时序信号，扫描的方式
如图8-2（a）所示为亮度按正弦分布的光栅图像，电子束扫 描一行将输出如图8-2（b）正弦时序信号，其纵坐标为与亮度L 有关的电压U，横坐标为扫描时间t。
若图像的宽度为W，图像在x方向的亮度分布为Lx，设正弦 光栅图像的空间频率为fx。电子束从左向右扫描（正程扫描）的 时间频率f应为
f
fx
W thf
本章主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像传 感器的基本工作原理和典型应用问题 。
8.2 光电成像原理与电视制式
• 8.2.1 光电成像原理
如图8-1所示为光电成像系统的基本原理方框图。 光电成像系统常被分成摄像系统与图像显示系统两部分。 摄像系统由光学成像系统、光电变换系统、同步扫描和图 像编码等部分构成，输出全电视视频信号。
它推动了广播电视、工业电视、医用电视、军用电视、微光 与红外电视技术的发展，带动了机器视觉的发展，促进了公安刑 侦、交通指挥、安全保卫等事业的发展。
• 8.1.2 图像传感器的分类
按工作方式分图像传感器有两类扫描型和直视型。通过电子 束扫描或数字电路的自扫描方式将二维光学图像转换成一维时 序信号输出出来。
• 1.摄像机的基本原理 在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像在
物镜的像面上，形成二维空间光强分布的光学图像。
光电图像传感器完成将光学图像转变成二维“电气” 图像 的工作。
组成一幅图像的最小单元称为像元，像元的大小或一幅图 像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的 细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。
代表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信 号放大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备还原成二维 光学图像信号。
视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规则 才能保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。
如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图像传 输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多制式。
第8章 图像信息的光电变换
8.1 图像传感器简介 8.1.1 图像传感器发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。
光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。 早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），
用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比 很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使 它的应用受到限制。