摄像机成像

摄像机从接收光信号到输出电信号的过程，特别是怎样把色彩信号转换成电信号

CMOS摄像机成像模块

在了解CMOS图像处理器成像原理之前，我们先来看看CCD与CMOS之间的一个对比，以更好了解CMOS图像处理器。相比于CCD，CMOS的优点由于：

1） 设计单一感光器感光器连接放大器

2） 灵敏度同样面积下高感光开口小，灵敏度低

3） 成本线路品质影响程度高，成本高CMOS整合集成，成本低

4） 解析度连接复杂度低，解析度高低，新技术高

5）噪点比单一放大，噪点低百万放大，噪点高

6） 功耗比需外加电压，功耗高直接放大，功耗低

由于构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。图3为CMOS成像模块示意图。

CMOS摄像机线性插值

为什么需要线性插值呢？我们先来看看CMOS图像处理器的排列：

由于制作工艺的问题，CMOS感应R 或G或B一种颜色，这就是贝叶尔格式的数据（如图4所示）。它必须经过插值运算才能得到每个像素的RGB值。

由图4可以看出，每个像素点都有8个相邻的像素点，而且这8个像素点的颜色分量与此像素点不同。插值算法就是依据相邻的像素点的颜色值的空间相关性原理进行的。其处理方法如下：

a. 只有R颜色分量的像素点，其G颜色分量由周围4个G的平均值计算得出。B颜色分量由周围4个B的平均值计算得出。

b. 只有B颜色分量的像素点，其R颜色分量由周围4个R的平均值计算得出，G颜色分量由周围4个G平均值计算得出。

c. 只有G颜色分量的像素点，其R颜色分量由上下2个R的平均值计算得出，B颜色分量由左右2个B平均值计算得出。

CMOS摄像机白平衡

任何物体在不同的光线下具有不同的色温。所谓色温，简而言之，就是定量地以开尔文温度表示色彩。色温越高，物体的蓝色分量就越多；色温越低，物体的红色分量就越多。由于人眼具有自调节性，所以即使物体色温不同，也能正确识别出颜色。但是CMOS图像传感器没有自调节性，所以当在户外日光下拍摄物体时，物体的颜色就会因为色温高而偏蓝。而在室内的荧光灯下拍摄物体时，物体的颜色就会因为色温低而偏红。要得到正确的颜色，必须进行白平衡。白平衡的基本原理是调整颜色的色温，使其保持在一个特定的范围内。

电阻抗成像注入电流电阻抗成像（ACEIT）

注入电流电阻抗成像（ACEIT）是最早提出的且研究历史最长的成像方法。许多早期的文献将之称为电阻抗成像（EIT），后来随着各种成像方法的提出，有些学者为了将它与其他激励方式的电阻抗成像区分开来，故将之命名为注入电流电阻抗成像（ACEIT）。后来EIT概念的外延增大，表示所有的电阻抗成像。相对于其他方式的电阻抗成像而言，ACEIT起步较早，研究得比较充分。

ACEIT的原理是，根据人体内不同组织在不同生理、病理状态下具有不同的电阻抗，通过电极给人体施加小的安全驱动电流/电压，在体外测量电压/电流信号，并依据相应的快速重组算法重建人体内部的电阻抗分布或其变化的图像。

不同的电流注入模式使成像区域内部形成的电流分布不同，测量灵敏度不同，采集信号的信噪比不相同，最终成像质量也不同。常见的注入电流模式主要包括：临近驱动模式（adjacent driven pattern）、交叉注入模式（cross method）、相反注入电流模式（opposite method）和自适应注入电流模式（adaptive method）等。

电阻抗成像感应电流电阻抗成像（ICEIT）

感应电流电阻抗成像的原理是，它在被测目标的外围放置若干个激励线圈，对其施加交变电流，在空间产生交变磁场，从而在被测目标内激励出感应电流。测量被测目标表面电极间的电压差，并用此数据重构电导率扰动的分布，从而进行目标区域电导率的动态成像。

电阻抗成像磁共振电阻抗成像（MREIT）

针对常规电阻抗成像方法只能测量成像目标区域外周边信息的问题，加拿大多伦多大学的Zhang于1992在其题为“Electrical impedance tomography based on current density”的硕士论文中提出将EIT与磁共振电流密度成像（magnetic resonance current density image, MRCDI）结合的磁共振电阻抗成像方法。

磁共振电阻抗成像技术（MREIT）就是一种把磁共振成像技术（MRI）和EIT技术结合起来的新型阻抗成像技术。MREIT技术发展的基础在于磁共振能够检测注入电流激励磁场沿磁共振主磁场方向的分量。利用这一原理，就能够测量得到注入电流在成像目标内部激励的磁场分布，进而，由安培定律（Ampere’s Law）即 可以计算得到注入电流在成像目标内的电流密度分布，再结合成像目标边界电压分布，利用特定算法就能够重建成像目标体的阻抗分布，这就是MREIT技术的基本思想。

2005年，Ozparlak等提出感应电流磁共振电阻抗成像方法（induced current magnetic resonance-electrical impedance tomography, IC-MREIT），将非接触概念引入磁共振电阻抗成像方法。采用外部非接触线圈代替电极，将被测物放置于设计的几何中心位置，线圈通电后被测物处于交流一次磁场中，该一次磁场在被测物内部感应生成涡流产生二次磁场。二次磁场可由MRI设备测得，其中包含足够的信息用来重建图像。

电阻抗成像磁感应成像方法（MIT）

ICEIT采用电极测量成像目标体表面电压，依然存在因贴放大量电极而浪费时间和处理极不方便等困难。为此，Korjenevsky等人提出激励和测量全部采用线圈的非接触方式，通过测得的表面磁场重建电导率分布的磁感应成像方法（MIT）。应用于医学领域的磁感应成像方法的研究始于1993年，英国Swansea大学的Al-Zeibak等首次报道了用于医学的MIT实验系统，能够通过重构图像区分出脂肪与脱脂组织的轮廓和几何尺寸。

MIT的基本原理是，激励线圈产生频率的交变磁通密度，将成像目标体置于激励磁场中，成像目标区域内产生涡旋电场，由于区域内部包含导电介质，因此产生涡旋感应电流，该涡流同时会产生二次感应磁通密度并能改变原激励磁通密度的强弱和空间分布，在接收线圈上可以检测到相应的感应电压。通过检测到的测量线圈的感应电压的变化可以间接地反映导体的电导率分布，进行图像重构。由理论分析可知，二次感应磁通密度的实部由位移电流引起，与导体的介电常数有关，虚部由涡旋电流感生，与导体的电导率近似成线性关系。

电阻抗成像电磁阻抗成像（EMIT）

Levy等人提出了一种成像技术叫电磁阻抗成像（EMIT），既测量EIT的边界电压，又通过线圈记录外部磁场。他们通过数值模拟得出结论，附加的一小部分磁场的测量可以减小EIT问题的条件数，即改善了问题的病态性。

电阻抗成像电场电阻率成像（EFT）

还有另外一种完全非接触电阻抗成像方法——电场电阻率成像（EFT）[90]。这种成像方法采用与成像体非接触的电极激励交变电场，激励电极在成像目标体近表面产生感应电荷，而在远离电极的一面产生相反电荷，使得测量电压和激励电压之间的相移携带有成像目标体电阻率特性信息，进而可以建立相移与电阻率的对应关系，据此重构出成像体电阻率分布图像。

电阻抗成像磁探测电阻抗成像（MDEIT）

磁探测电阻抗成像（MDEIT）通过贴在成像目标体的成对电极，向成像目标体注入一定频率的交变电流，然后用某种形式的接收装置，例如感应线圈、超导量子干涉仪（SQUID）等，测量注入电流在成像目标体外产生的磁场，根据表面磁场的反问题求解获得产生磁场的电流分布，进而从电流分布重构出电导率分布图像。

综上所述，电阻抗成像（EIT）主要包括注入电流电阻抗成像方法（ACEIT），感应电流电阻抗成像方法（ICEIT），磁共振电阻抗成像方法（MREIT）和电磁阻抗成像（EMIT），磁感应成像方法（MIT），电场电阻率成像方法（EFT）和磁探测电阻抗成像（MDEIT）。它们的激励方式和传感接收方式各不相同，见表1。

表1 EIT各种方法的激励和传感方式的比较

CMOS的摄像机在成像质量上比不上CCD感光器件。