图像信息的光电变换

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。

▪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。

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。

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。