專利名稱：一種高性能色濾光片馬賽克陣列的系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光度學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能色濾光片馬賽克陣列
(CFA)。
背景技術(shù)：
光度學(xué)是處理可見(jiàn)光的測(cè)量。人眼僅能看見(jiàn)在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的光并且 對(duì)光譜中不同波長(zhǎng)的光有不同的敏感度。當(dāng)適應(yīng)明亮的環(huán)境(白晝視覺(jué))時(shí)， 眼睛對(duì)(波長(zhǎng)在)555nrn處的綠-黃光最為敏感。
人眼有三種色彩接收細(xì)胞(圓錐細(xì)胞)以對(duì)具有不同光譜響應(yīng)曲線的入 射輻射做出響應(yīng)。雖然也存在第四種細(xì)胞(桿狀體)，但是它在色彩視覺(jué)上 不起任何作用。正是這三種色彩接收細(xì)胞的存在意味著用三種數(shù)值成份去描 述一種被感知到的色彩是必要和充分的。
數(shù)碼影像是由大量的象元或像素組成。彩色圖像中的像素值是由三色激 勵(lì)值說(shuō)明。三色激勵(lì)值是對(duì)指定一種被感知顏色的三原色的總和。紅色，綠 色和藍(lán)色組成了 一組較佳的三原色。
通常來(lái)說(shuō)，像素是固態(tài)成像儀，顯示屏或在位圖中成像的最小可尋址單 位。它們由水平和垂直像素的數(shù)目額定的，舉例來(lái)說(shuō)，1024 x 768意味著每 行顯示1024個(gè)像素，每列有768個(gè)像素(列)。許多圖像采集和顯示系統(tǒng)無(wú) 法在同一位點(diǎn)顯示不同的色道。該方法通常由使用多個(gè)各自處理單色信道的 子像素來(lái)解決。在彩色系統(tǒng)中，每個(gè)像素通常包含了至少三種用于子像素的 值，例如紅色，綠色，藍(lán)色。
較為理想的方法是在不顯著降低圖像質(zhì)量情況下減少一個(gè)圖像感應(yīng)像素中所包含物理子像素的平均數(shù)目，從而減少圖像傳感器硅的面積。最為普
遍運(yùn)用的方法是在圖像傳感器頂端應(yīng)用色濾光片馬賽克陣列(CFA)，將紅 色、綠色和藍(lán)色的色彩敏感度設(shè)定入傳感器。CFA由濾色片的陣列組成。每 個(gè)濾色片限制了提供到相關(guān)圖像傳感器上光的波長(zhǎng)。最通常運(yùn)用的是紅、綠、 藍(lán)三種顏色的(RGB)模式。其他的色彩運(yùn)用也存在類似的三色，例如黃色， 品紅，青色，互補(bǔ)模式或混合的原色/互補(bǔ)色和四色系統(tǒng)，其中第四色是白色 或者隨光譜靈敏度變換的顏色。
盡管許多技術(shù)和物理應(yīng)用性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)能被應(yīng)用以選擇CFA模式，但最 為重要的是消除人為色彩和波紋P形，最小化模式與圖像傳感器缺陷的相互 作用，彩色重建計(jì)算的復(fù)雜性和避免相鄰像素之間光電的干擾。因此較好的 候選顏色模式在每個(gè)相鄰像素中都需要紅、綠、藍(lán)全部三種顏色成分，每個(gè) 像素應(yīng)有同樣數(shù)目的給定顏色的臨近物，并且對(duì)角的像素盡可能排列成行才 是所期望的。
圖l所表示的是如今最常用的一種CFA模式，即Bayer模式。每個(gè)像 素被獨(dú)立的紅，綠或藍(lán)色濾色片覆蓋。因此每個(gè)圖像傳感器即像素僅捕捉到 一種顏色;每個(gè)像素的全部色值是由使用周圍像素值的插值決定的。像素110 (紅)，120和130(綠)，以及140(藍(lán))形成了最基本的Bayer模式，被重 復(fù)多次用于例示說(shuō)明一個(gè)實(shí)際圖像傳感器。相比同像素?cái)?shù)目和尺寸的單色感 應(yīng)器，CFA方法降低了大約30%~40%的有效空間分辨率，它要求對(duì)插值進(jìn) 行計(jì)算以重建每個(gè)像素的色值。
雖然RGB顏色模型足以對(duì)圖像進(jìn)行電腦圖形圖像描繪，但人們普遍認(rèn) 識(shí)到的YUV顏色模型更準(zhǔn)確模仿了人類對(duì)顏色的感知。YUV色彩模型定義 了一個(gè)由一個(gè)亮度(Y)和兩個(gè)色度(UV)成分(飽和度和色調(diào))的顏色空 間。數(shù)碼相機(jī)中具有代表性的是會(huì)用一種使綠色(G)像素與亮度(Y)信 道相似的圖片重建過(guò)程把RGB像素值轉(zhuǎn)換到Y(jié)UV組件中。通過(guò)簡(jiǎn)單的內(nèi)插 法來(lái)近似非G像素的亮度。利用近似亮度值，紅色和藍(lán)色像素的色度計(jì)算式 為Cr=R-Y， Cb=B-Y。 Cr， Cb值是由內(nèi)插法獲得的空間濾波和缺損值。此時(shí)，所有像素應(yīng)該有其亮度和色度值而他們的RGB值，通過(guò)R-Y + Cr，B-Y + Cb計(jì)算并且G從公式Y(jié)=(R+G+B)/3或Y=0.2R + 0.7G + 0.1B或其他一些 類似的公式計(jì)算得到。綜上所述，顯然Bayer CFA方法為了簡(jiǎn)便而對(duì)精確度 和分辨率進(jìn)行了折衷。
雖然，上述生成單獨(dú)像素色彩的方法有許多變化存在，但是都因Bayer CFA的基本限制而受到損害，那就是亮度不是直接可得，而是要從分散的綠， 紅和藍(lán)色色度信息中重新建立。因?yàn)槿搜蹖?duì)亮度信息最為敏感，用現(xiàn)有技術(shù) 方法而產(chǎn)生的圖像并未達(dá)到最佳。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個(gè)方面， 一個(gè)像素包括由多種色彩組成的亮度濾色片， 其中亮度濾色片每種顏色的尺寸與來(lái)采用多種顏色以計(jì)算亮度時(shí)所用顏色 份額是成比例的。
按照本發(fā)明的另一方面，濾色片陣列包括一個(gè)亮度像素，由亮度濾色片 組成的亮度像素，包括多種顏色，其中亮度濾色片每種顏色的尺寸與來(lái)采用 多種顏色以計(jì)算亮度時(shí)所用顏色份額是成比例的。
如此安排，亮度信息可以在每一個(gè)像素中直接測(cè)得，從而提供了具有高 分辨率、高精確度圖像的輸出。本發(fā)明的諸多優(yōu)點(diǎn)將在下文根據(jù)相關(guān)附圖有 更詳細(xì)的說(shuō)明。


圖1所示，是一個(gè)運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)的Bayer模式濾色片陣列的圖表。 圖2所示，是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明的亮度(Y)濾色片的幾種實(shí)施例的圖表。 圖3所示，是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明亮度像素組成部分的高層結(jié)構(gòu)圖。 圖4所示，是一個(gè)使用(圖2)亮度濾色片的色濾光片陣列的實(shí)施例的 圖表。
圖5所示，是一個(gè)表示本發(fā)明所使用(圖2)亮度濾色片的色濾光片陣列的第二種實(shí)施例的圖表。 躺錢弒
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種能夠應(yīng)用色濾光片陣列(CFA)直接 獲得亮度像素信息的亮度濾色片。亮度像素的引進(jìn)大大提高了對(duì)指定尺寸的 像素和圖像傳感器在圖像采集過(guò)程中的精確度。使用本發(fā)明的亮度濾色片， 可以精確地捕獲具有高精確度的高分辨率下的亮度。本發(fā)明更多的目的和優(yōu) 點(diǎn)將在附圖以及隨后的說(shuō)明中體現(xiàn)。
本發(fā)明的一方面是對(duì)即使人眼對(duì)像素亮度信息比對(duì)像素色度信息更為 敏感，也沒(méi)被Bayer CFA使用的事實(shí)的具體實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中， 一種改進(jìn)的 CFA設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了亮度信息的采集超過(guò)色度信息的采集--大幅度提高全部感 知圖像的質(zhì)量和降低對(duì)于指定圖像采集分辨率要求的傳感器硅的面積的要 求。 一種亮度(Y)像素掩膜，由若干品種中任一種提供，可以用于直接地 獲取亮度信息。
亮度像素包含亮度(Y)掩膜，該掩膜被放置在圖像傳感器之上并使圖 像傳感器能直接從接收到的光線波長(zhǎng)中提取亮度數(shù)據(jù)。因此，該發(fā)明消除了 在現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)插過(guò)程中內(nèi)在的復(fù)雜性和誤差，同時(shí)提供高分辨率的輸出。
如圖2A-2C說(shuō)明Y像素的幾種光學(xué)濾色器的掩膜圖樣。盡管在圖2A-2C 中Y像素掩膜利用了紅，綠和藍(lán)色組合，這些成分僅是作為例子而提出的。 其他顏色的組合，例如三色，如黃色，品紅，青色，互補(bǔ)模式或混合的原色 和互補(bǔ)色或四色系統(tǒng)，其中第四色是白色或者隨光譜靈敏度變換的顏色或其 他可實(shí)現(xiàn)的顏色組合，并且本發(fā)明不局限于任何特定的顏色組合。
光學(xué)濾色片的掩膜是由一層染色玻璃，明膠，塑料或其他材料構(gòu)成的， 用于吸收某些顏色，并能更好地傳遞給其他的。只要過(guò)濾顏色后結(jié)果的比例 能保持，那么圖2A-2C中所示的光學(xué)濾色片掩膜的具體形狀和模式是不重要 的。對(duì)于Y像素的定義這里假設(shè)Y^.2R + 0.7G + 0.1B。因此，濾色片中紅 色區(qū)域是藍(lán)色的兩倍大小，并且綠色區(qū)域是藍(lán)色的七倍大小。其他比率的顏色組成也可以，根據(jù)人類視覺(jué)特征而定。
圖2A-2C說(shuō)明像素的形狀是任意的。圖2A說(shuō)明一種矩形像素，圖2B 說(shuō)明一種正方形像素，圖2C說(shuō)明一種圓形像素，同樣其他可能出于特別設(shè) 計(jì)的形狀作為等價(jià)方案也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖3是一個(gè)說(shuō)明本發(fā)明中Y像素組件的結(jié)構(gòu)圖，Y像素40包括了一個(gè) Y像素掩膜42和一個(gè)圖像傳感器44。 Y像素掩膜是包括一個(gè)具有多種顏色 的濾色片，并且被選擇掩膜的多種顏色中每種顏色的尺寸與在亮度計(jì)算范圍 內(nèi)各顏色波長(zhǎng)的比例相一致。圖像傳感器由一個(gè)CCD (電荷耦合器件)或 CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體.)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 一個(gè)較佳的實(shí)施例，其圖像 傳感器是一個(gè)例如在專利申請(qǐng)?zhí)?1/533,866中公布的高動(dòng)態(tài)范圍靈敏圖像傳 感器，或者在專利申請(qǐng)?zhí)?1/533,870中公布的具有增益控制的高動(dòng)態(tài)范圍傳 感器，兩者都是在2006年9月21日由達(dá)維多維奇提出，在此納入作為參考。 如圖3所示，當(dāng)光線射到像素掩膜上，與圖像相關(guān)的光子會(huì)按圖像的亮度值 的比例提供給圖像傳感器。
圖2A-2C表示的亮度像素、或其相類似的可在色濾光片陣列中用多種其 他類型的像素排列成各種模式。圖4說(shuō)明一個(gè)建立在CFA模式的基礎(chǔ)上的 亮度(Y)的較佳實(shí)施例。像素210， 230， 250， 270， 280， 2卯，310， 320， 330， 340， 250和360 (Y即亮度像素)，220, 240 (紅色像素)和260, 300 (藍(lán)色像 素)形成的基本模式被多次重復(fù)例示出一個(gè)實(shí)際的圖像傳感器。這種較佳的 CFA模式利用了人眼神經(jīng)性視覺(jué)性能和消除有關(guān)Bayer CFA模式的缺點(diǎn)。
Y像素的引進(jìn)也能直接增加圖像的分辨率。圖4中顯而易見(jiàn)，每個(gè)色度 像素，即紅(R)或藍(lán)(B)，被亮度(Y)像素包圍。在色度像素的區(qū)域內(nèi)， 來(lái)自各個(gè)空間方向的亮度信息，其有效性確保對(duì)亮度信息精確復(fù)原。舉例來(lái) 說(shuō)，在色度像素區(qū)域內(nèi)的亮度值可以通過(guò)使用眾所周知基于內(nèi)插法或數(shù)學(xué)技 術(shù)的方法獲得。
圖4中顯而易見(jiàn)，每個(gè)亮度像素不是與兩個(gè)就是與四個(gè)色度像素相鄰。 色度信息與亮度像素接近，確保在亮度像素區(qū)域內(nèi)對(duì)色度信息的精確復(fù)原，可以通過(guò)使用眾所周知的基于內(nèi)插法或其他數(shù)學(xué)技術(shù)方法獲得。亮度像素值 中色度信息的存在將進(jìn)一步幫助在亮度像素區(qū)域內(nèi)對(duì)色度信息的準(zhǔn)確復(fù)原。
圖5中說(shuō)明了另一種較佳的利用所披露的亮度像素的CFA實(shí)施例。像 素500 (紅色像素)，540 (藍(lán)色像素)和520， 530 (Y像素)形成的基本 模式被多次重復(fù)例示出一個(gè)實(shí)際的圖像傳感器。這個(gè)較佳的CFA模式也利 用了人眼神經(jīng)性視覺(jué)性能和消除有關(guān)Bayer CFA模式的缺點(diǎn)。引入的新的Y 像素是由混合了之前介紹的綠，紅，藍(lán)信息組合而成的。Y像素直接包含了 人眼最為敏感的亮度像素因此增加了圖像傳感器有效分辨率。
_圖5中顯而易見(jiàn)，每個(gè)亮度像素被四個(gè)色度.像素包圍。與色度信息接近， 亮度像素確保在亮度想素區(qū)域內(nèi)色度信息準(zhǔn)確復(fù)原，可通過(guò)使用眾所周知基 于內(nèi)插法或其他數(shù)學(xué)技術(shù)方法獲得。亮度像素值中色度信息的存在將進(jìn)一步 幫助在亮度像素區(qū)域內(nèi)對(duì)色度信息的準(zhǔn)確復(fù)原。
因此，本發(fā)明涉及了一種實(shí)施CFA濾色片的方法，該方法通過(guò)利用亮 度像素大大提高了圖像分辨率。除了圖3，圖4之外，其他類似性質(zhì)的CFA 實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。
如上所述，本發(fā)明有各種不同的實(shí)施例，前面被提及特定成分和處理步 驟的描述僅具是代表性的，其他功能的描述，另外的步驟和成分也被本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員所添加，因此本發(fā)明不能被先前所展示的特定實(shí)施例所限 定。各種具有代表性的成分可在運(yùn)用一臺(tái)電腦的硬件，軟件或者兩者結(jié)合中
實(shí)現(xiàn)。圖例說(shuō)明中的實(shí)施例可在沒(méi)有偏離所展示的發(fā)明概念范圍內(nèi)進(jìn)行修改 和變更。因此，除了所附加權(quán)利要求的范圍和實(shí)質(zhì)，該發(fā)明不應(yīng)該被視為被 局限的。
權(quán)利要求
1. 一種像素包括一個(gè)亮度濾色片由多種顏色組成，其特征在于亮度濾色片每種顏色的尺寸與來(lái)采用多種顏色以計(jì)算亮度時(shí)所用顏色份額是成比例的。
2. 按權(quán)利要求1所述的像素，進(jìn)而包括圖像傳感器，耦合于接收一個(gè) 來(lái)自亮度濾色片的已過(guò)濾亮度的電磁輻射信號(hào)，并且提供一個(gè)指示電磁輻射 輸入信號(hào)的亮度的輸出。
3. 按權(quán)利要求l所述的像素，其特征在于顏色的多樣性，包括紅，綠， 藍(lán)色，^且其中綠色濾色片占亮度濾色片的70%， ^色濾色片占亮度濾色片 的20%,藍(lán)色濾色片占亮度濾色片的10%。
4. 一種色濾光片陣列包括一個(gè)亮度像素，該亮度像素由亮度濾色片組成，該亮度濾色片包括多種 顏色，其特征在于，亮度濾色片的每種顏色的尺寸與當(dāng)采用多種顏色以計(jì)算 亮度時(shí)所使用顏色的分額是成比例的。
5. 按權(quán)利要求4所述的色濾光片陣列，其特征在于亮度像素進(jìn)而包括 圖像傳感器，耦合于接收一個(gè)來(lái)自亮度濾色片的已過(guò)濾亮度的電磁輻射信 號(hào)，并且提供一個(gè)指示電磁輻射輸入信號(hào)的亮度的輸出。
6. 按權(quán)利要求4所述的色濾光片陣列，其特征在于顏色的多樣性，包 括紅，綠，藍(lán)色，并且其中綠色濾色片占亮度濾色片的70%，紅色濾色片占 亮度濾色片的20%，藍(lán)色濾色片占亮度濾色片的10%。
7. 按權(quán)利要求4所述的色濾光片陣列，還包含了多種亮度像素，和多 種色度像素，其特征在于每個(gè)色度像素至少與兩個(gè)亮度像素相鄰。
8. 按權(quán)利要求7所述的色濾光片陣列，其特征在于每個(gè)色度像素至少 與4個(gè)亮度像素相鄰。
9. 按權(quán)利要求8所述的色濾光片陣列，其特征在于諸亮度像素包圍著 多個(gè)色度像素的每一個(gè)。
全文摘要
一種使用亮度像素實(shí)現(xiàn)高性能色濾光片馬賽克陣列(CFA)的方法。亮度像素的引進(jìn)大大提高了對(duì)于給定像素和圖像傳感器尺寸的圖像采集過(guò)程中的精確度。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101455075SQ200680042124
公開日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
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