專利名稱：用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方法和裝置的制作方法
用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方法和裝置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，特別是涉及一種利用黑白相機拍攝彩色圖像的 成像方法和裝置。背景技術(shù)：
普通彩色相才幾成〗象是采用Bayer Filter Pattern加濾光片的方式來實現(xiàn)彩 色圖像功能的，像素值用自身像素值和相鄰像素值進行顏色插值算法計算各像 素的R、 G、 B值，采用此種方式的彩色相才;i4目鄰像素點光電子易溢出，引^f頁 色失真現(xiàn)象，顏色飽合度偏低,并且必須采用濾光片，對光的靈敏度和靈活性不強。目前的3CCD相機基本克服了這些缺陷，但是3CCD的制造成^艮高，不利 于推廣使用。另外還有通過黑白相機拍攝彩色圖像的方案輪換發(fā)射紅，綠，藍三種單 色光照射被觀測目標，每次單獨獲取被觀測物的顏色信息，把顏色信息通過軟 件處理成彩色圖像，但是在許多的尖端應(yīng)用中，越來越強調(diào)極短的曝光時間和 大景深，如果采用這種成像方式，首先是得到一幅彩色圖像將比以前的普通彩 色相機多用3倍的時間，其次是沒有實現(xiàn)白平衡的方案，要達到好的彩色圖像 的效果，沒有進行白平衡，是不可能得到比普通彩色相機更好圖像的，另外普 通相機還有飽和度和增益的調(diào)節(jié)，在一些應(yīng)用中它們是必不可少的，比如用彩 色信息體現(xiàn)物體高度變化的應(yīng)用中一定要加強飽和度，因此目前的單色光合成 彩色圖像的方案是不成熟的，還沒有太大的使用價值。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供了一種顏色逼真、無需濾光片、對 光靈敏度高、能夠滿足尖端應(yīng)用、成本低的用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方 法和裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所用方法包括以下步驟(1) 紅色LED燈、綠色LED燈和藍色LED燈作為照明光源，通過輪換發(fā)射 紅色、綠色、藍色中的任意兩種復(fù)色光直射向成像物上；(2) 成像物通過光學(xué)鏡頭成像到相機感光芯片上，相機感光芯片通過外圍 電路處理成數(shù)字圖像信息傳輸?shù)教幚頇C(PC),處理機(PC)上得到同一位置的三 副復(fù)色環(huán)境下紅色加綠色的灰度圖像II、綠色加藍色的^1圖像12和藍色加紅 色的灰度圖〗象I3;(3) 紅色加綠色的灰度圖像II對應(yīng)位置的灰度值il、綠色加藍色的灰度圖 像12對應(yīng)位置的灰度值i2和藍色加紅色的灰度圖像13對應(yīng)位置的M值i3 通過圖像合成計算處理模塊對圖像上的每一點執(zhí)行下面的計算處理，通過以下 公式求當(dāng)前位置的紅色分量值r 、綠色分量值g和藍色分量值b ,就可以得到一 副飽和度和亮度滿足要求的彩色圖像,計算公式如下il=r+g i2=g+b i 3-b+ral=(il+i2+i3)/2a2-s *(il-i2);a3= s * (il-i3);r= gain * (al+2*a2-a3)/3b= gain * (r-a2)g= gain * (a3+b)其中s是飽和度調(diào)節(jié)因子，取值范圍為0.5~3 ; gain是亮度增益，取值 范圍為0.5-3; al 、 a2和a3為公式中的假設(shè)字母；(4) 在設(shè)定好飽和度和亮度增益后，進行彩色成像的白平衡；首先是拍攝 標準灰度色卡的彩色圖像,接著計算整幅彩色圖像的紅色分量值r 、綠色分量值 g和藍色分量值b的平均亮度，最后通過光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)光源的亮 度，使得紅色分量值r、綠色分量值g和藍色分量值b基本相等時，終止調(diào)節(jié)， 鎖定光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路，完成白平衡；(5) 再拍攝實物，便可以得到色彩逼真，高清晰的彩色圖像，執(zhí)行循環(huán)合成 彩色圖像，可以實現(xiàn)實時顯示效果。使用本發(fā)明所用方法的裝置，包括黑白相機、紅色LED燈環(huán)形光源組、綠 色LED燈環(huán)形光源組、藍色LED燈環(huán)形光源組，還包括光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路、 光源發(fā)光順序控制電路、觸發(fā)相機拍攝電路、光源電源模塊、標準灰度色卡和 圖4象合成計算處理^^塊；紅色LED燈環(huán)形光源組、綠色LED燈環(huán)形光源組和藍色 LED燈環(huán)形光源組分布在黑白相機向下的半球形的表面上，頂部是所述紅色LED 燈環(huán)形光源組，中間是綠色LED燈環(huán)形光源組，下面是藍色LED燈環(huán)形光源組，形 成在黑白相機視野范圍內(nèi)提供一個有均勻照度的成像環(huán)境；光源發(fā)光強度調(diào)節(jié) 電路和光源發(fā)光順序控制電路輸出控制光源電源模塊，光源電源模塊輸出控制 紅色LED燈環(huán)形光源組、綠色LED燈環(huán)形光源組和藍色LED燈環(huán)形光源組，光源 電源模塊將數(shù)據(jù)輸入到圖像合成計算處理模塊;光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路、光源發(fā) 光順序控制電路和圖像合成計算處理模塊輸出控制觸發(fā)相機拍攝電路，觸發(fā)相 機拍攝電路輸出到相機感光芯片內(nèi)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，本發(fā)明可應(yīng)用在自動光學(xué)檢測系統(tǒng)上。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于1. 其分辨率是Bayer Filter Pattern彩色相才幾的3倍；2. 不存在Bayer Filter Pattern彩色相機相鄰像素點光電子溢出的問題;3. 消除了因為插值計算引起的顏色失真；4. 大幅度提高了對光的靈敏度，由于采用復(fù)色光照明，根據(jù)光的重復(fù)和互 補，使相機的靈敏度提高到單色光成像的兩倍，同時黑白相機不使用濾光片， 可以做到普通彩色相機獲得一幅彩色圖像同樣的速度，解決了用現(xiàn)有方法(采 用黑白相機拍攝彩色圖像)速度太慢的問題；5. 每組光源亮度可以單獨調(diào)整，采用標準灰度色卡對合成圖像進行白平衡， 解決了現(xiàn)有方法(采用黑白相機拍攝彩色圖像)中存在的色溫不正常，不能調(diào) 的問題；6. 在合成圖像過程中加入飽和度調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)因子，滿足了 一些特殊應(yīng) 用的要求，完善了黑白相機實現(xiàn)彩色功能的不足；7. 其成本只有3CCD相機的1/6，而效果比3CCD相機更好；比普通彩色相機 的成本也要低；因此本發(fā)明可提供一種顏色逼真、無需濾光片、對光靈敏度高、能夠滿足 尖端應(yīng)用、成本低的用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方法和裝置。附困說明圖l是本發(fā)明的成像示意圖；圖2是本發(fā)明的白平衡示意圖； 圖3是本發(fā)明的電路原理示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖
和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。 由圖l至圖3可以看出，本發(fā)明包括黑白相機、紅色LED燈環(huán)形光源組1、 綠色LED燈環(huán)形光源組2、藍色LED燈環(huán)形光源組3、光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路、 光源發(fā)光順序控制電路、觸發(fā)相機拍攝電路、光源電源模塊、標準灰度色卡7 和圖像合成計算處理才莫塊；紅色LED燈環(huán)形光源組1、綠色LED燈環(huán)形光源組2 和藍色LED燈環(huán)形光源組3分布在黑白相機向下的半球形的表面上，頂部是紅 色LED燈環(huán)形光源組1,中間是綠色LED燈環(huán)形光源組2,下面是藍色LED燈環(huán)形 光源組3,形成在黑白相機視野范圍內(nèi)提供一個有均勻照度的成像環(huán)境；光源發(fā) 光強度調(diào)節(jié)電路和光源發(fā)光順序控制電路輸出控制光源電源模塊，光源電源模 塊輸出控制紅色LED燈環(huán)形光源組1、綠色LED燈環(huán)形光源組2和藍色LED燈環(huán) 形光源組3，光源電源模塊將數(shù)據(jù)輸入到圖像合成計算處理模塊;光源發(fā)光強度 調(diào)節(jié)電路、光源發(fā)光順序控制電路和圖像合成計算處理模塊輸出控制觸發(fā)相機 拍攝電路，觸發(fā)相機拍攝電路輸出到相機感光芯片內(nèi)。 本發(fā)明的成像方法包括以下步驟(1) 紅色LED燈環(huán)形光源組1、綠色LED燈環(huán)形光源組2、藍色LED燈環(huán) 形光源組3作為照明光源，通過光源發(fā)光順序控制電路的控制來輪換發(fā)射紅色、 綠色、藍色中的任意兩種復(fù)色光(紅色加綠色的復(fù)色光或綠色加藍色的復(fù)色光或 藍色加紅色的復(fù)色光)直射向成4象物4上；(2) 成像物4通過光學(xué)鏡頭5成像到相機感光芯片6上，相機感光芯片6通 過外圍電路處理成數(shù)字圖像信息傳輸?shù)教幚頇C(PC)，處理機(PC)上得到同一位 置的三副復(fù)色環(huán)境下紅色加綠色的灰度圖像II、綠色加藍色的^jl圖像12和藍 色加紅色的灰度圖像I3;(3) 紅色加綠色的灰度圖像II對應(yīng)位置的灰度值il、綠色加藍色的灰度圖
像12對應(yīng)位置的灰度值i2和藍色加紅色的灰度圖像13對應(yīng)位置的灰度值i3 通過圖像合成計算處理模塊對圖像上的每一點執(zhí)行下面的計算處理，通過以下 公式求當(dāng)前位置的紅色分量值r 、綠色分量值g和藍色分量值b ，就可以得到一 副飽和度和亮度滿足要求的彩色圖像，計算公式如下il=r+gi2=g+bi3=b+ral=(il+i2+i3)/2a2=s "il-i2);a3= s * (il-i3);r= gain * (al+2*a2-a3)/3b= gain * (r-a2)g= gain * (a3+b)其中s是飽和度調(diào)節(jié)因子，取值范圍為0.5~3 ，如s-1.6; gain是亮度 增益，取值范圍一般為0.5 3，如gain=l. 3;所述al 、 a2和a3為公式中的 假設(shè)字母；(4) 在設(shè)定好飽和度和亮度增益后，進行彩色成像的白平衡；首先是拍攝標 準灰度色卡7的彩色圖像,接著計算整幅彩色圖像的紅色分量值r 、綠色分量值 g和藍色分量值b的平均亮度，最后通過光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)光源的亮 度，使得紅色分量值r、綠色分量值g和藍色分量值b基^目等時，終止調(diào)節(jié)， 鎖定所述光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路，完成白平衡；在本發(fā)明中s-1.6， gain=l. 3時，采集到的彩色圖像紅色分量值r的平均 值為150，綠色分量值g的平均值為150,藍色分量值b的平均值為150;(5) 再拍攝實物，便可以得到色彩逼真，高清晰的彩色圖像，執(zhí)行循環(huán)合成 彩色圖〗象，可以實現(xiàn)實時顯示效果。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，本發(fā)明可應(yīng)用在自動光學(xué)檢測系統(tǒng)上，可獲 得3CCD彩色相機的圖像質(zhì)量，具有相近的整體性能。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡跟本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等 變化與修飾，均應(yīng)屬于本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方法，其特征在于包括以下步驟(1)紅色LED燈、綠色LED燈和藍色LED燈作為照明光源，通過輪換發(fā)射紅色、綠色、藍色中的任意兩種復(fù)色光直射向成像物(4)上；(2)所述成像物(4)通過光學(xué)鏡頭(5)成像到相機感光芯片(6)上，所述相機感光芯片(6)通過外圍電路處理成數(shù)字圖像信息傳輸?shù)教幚頇C(PC)，處理機(PC)上得到同一位置的三副復(fù)色環(huán)境下紅色加綠色的灰度圖像(I1)、綠色加藍色的灰度圖像(I2)和藍色加紅色的灰度圖像(I3)；(3)所述紅色加綠色的灰度圖像(I1)對應(yīng)位置的灰度值(i1)、所述綠色加藍色的灰度圖像(I2)對應(yīng)位置的灰度值(i2)和所述藍色加紅色的灰度圖像(I3)對應(yīng)位置的灰度值(i3)通過所述圖像合成計算處理模塊對圖像上的每一點執(zhí)行下面的計算處理，通過以下公式求當(dāng)前位置的紅色分量值(r)、綠色分量值(g)和藍色分量值(b)，就可以得到一副飽和度和亮度滿足要求的彩色圖像，計算公式如下i1＝r+gi2＝g+bi3＝b+ra1＝(i1+i2+i3)/2a2＝s*(i1-i2)；a3＝s*(i1-i3)；r＝gain*(a1+2*a2-a3)/3b＝gain*(r-a2)g＝gain*(a3+b)其中所述s是飽和度調(diào)節(jié)因子，取值范圍為0.5～3；所述gain是亮度增益，取值范圍為0.5～3；所述a1、a2和a3為公式中的假設(shè)字母；(4)在設(shè)定好飽和度和亮度增益后，進行彩色成像的白平衡；首先是拍攝標準灰度色卡(7)的彩色圖像，接著計算整幅彩色圖像的所述紅色分量值(r)、所述綠色分量值(g)和所述藍色分量值(b)的平均亮度，最后通過光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)光源的亮度，使得所述紅色分量值(r)、所述綠色分量值(g)和所述藍色分量值(b)基本相等時，終止調(diào)節(jié)，鎖定所述光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路，完成白平衡；(5)再拍攝實物，便可以得到色彩逼真，高清晰的彩色圖像，執(zhí)行循環(huán)合成彩色圖像，可以實現(xiàn)實時顯示效果。
2. —種根據(jù)權(quán)利要求l所述的用黑白相機拍攝彩色圖像的成像裝置，包括 黑白相機、紅色LED燈環(huán)形光源組(l)、綠色LED燈環(huán)形光源組(2)、藍色LED 燈環(huán)形光源組(3),其特征在于還包括光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路、光源發(fā)光順序 控制電路、觸發(fā)相機拍攝電路、光源電源模塊、標準灰度色卡(7 )和圖像合 成計算處理;漠塊；所述紅色LED燈環(huán)形光源組(l)、所述綠色LED燈環(huán)形光源組 (2)和所述藍色LED燈環(huán)形光源組(3)分布在所述黑白相機向下的半球形的表面 上，頂部是所述紅色LED燈環(huán)形光源組(l),中間是所述綠色LED燈環(huán)形光源組 (2)，下面是所述藍色LED燈環(huán)形光源組(3)，形成在所述黑白相才;L^見野范圍內(nèi)提 供一個有均勻照度的成像環(huán)境；所述光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路和所述光源發(fā)光順 序控制電路輸出控制所述光源電源模塊，所述光源電源模塊輸出控制所述紅色 LED燈環(huán)形光源組(1)、所述綠色LED燈環(huán)形光源組(2)和所述藍色LED燈環(huán)形光 源組(3)，所述光源電源模塊將數(shù)據(jù)輸入到所述圖像合成計算處理模塊；所述光 源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路、所述光源發(fā)光順序控制電路和所述圖像合成計算處理模 塊輸出控制所述觸發(fā)相機拍攝電路，所述觸發(fā)相機拍攝電路輸出到所述相機感 光芯片內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用黑白相機拍攝彩色圖像的成像裝置，其特征在 于所述用黑白相機拍攝彩色圖像的成像裝置可應(yīng)用在自動光學(xué)檢測系統(tǒng)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方法和裝置，在飽和度調(diào)節(jié)因子取值范圍為0.5～3；亮度增益取值范圍為0.5～3時，在不受外界光影響或外界光影響可忽略的環(huán)境以及被拍攝物體在合成彩色圖像的一輪拍攝過程中相對相機靜止條件下，能通過光源發(fā)光強度調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)紅色LED燈環(huán)形光源組、綠色LED燈環(huán)形光源組、藍色LED燈環(huán)形光源組亮度單獨可調(diào)來調(diào)節(jié)白平衡；在拍攝時，能通過光源發(fā)光順序控制電路實現(xiàn)各組光源單獨關(guān)閉和打開；在光源準備好后，能通過控制電路實現(xiàn)觸發(fā)相機拍攝圖像。通過采用上述方法和結(jié)構(gòu)，就可提供一種顏色逼真、無需濾光片、對光靈敏度高、能夠滿足尖端應(yīng)用、成本低的用黑白相機拍攝彩色圖像的成像方法和裝置。
文檔編號H04N9/04GK101150732SQ20061012226
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者王錦峰 申請人:王錦峰