[发明专利]用于数字成像的彩色滤波阵列及其成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于数字成像的彩色滤波阵列及其成像方法。

背景技术

一个颜色通常可由三原色来表达。在使用单片固体成像传感器(CCD或CMOS器件)进行彩色照相时，每个成像单元被设计成只探测三原色中的一种。决定某个单元探测哪种颜色的是传感器前面的彩色滤波阵列(Color filter array)，而一个单元处另外两个颜色成份需要通过插值算法来推算，其计算工作是由数字成像设备中的计算机对数字化的信号处理完成。在最常用的Bayer阵列中(见图1)，红(R)绿(G)蓝(B)单元交错排列，绿单元占全部传感单元的50％，而红和蓝各占25％。安排绿色单元占多数的原因是：光照度对图像分辨率起最重要的作用，而人的视觉系统对绿色的感知最接近对光照度的感知。这从电视信号中的光强信号计算公式可以看出(Y＝0.59G+0.3R+0.11B)，绿色分量对照度的贡献最大，大于红色和蓝色。然而，50％绿、25％红、25％蓝的分配并非是适合人视觉系统的最佳组合，一些专利还提出了绿色占多于50％的彩色滤波阵列，如美国专利5374956阵列中的绿色占了75％。但是不管怎样，绿色分量并不等于照度。对于红色或蓝色丰富的画面，这些阵列往往造成较大失真。

美国专利5323233提出了一种彩色滤波阵列，其中含有50％的中性单元用于直接探测照度，而输出信号中的色度信号则来自于剩余的彩色滤波单元。该阵列的特点是中性滤波单元与各彩色单元均匀混合在一起交错排列。这样造成各彩色单元之间相隔较远。这样的排列会产生较严重的颜色失真，尤其是在边缘处。下面用一个例子说明这种颜色失真。

假设用两个彩色滤波阵列A和B对一个黑白边缘(图像值从100跳变为40)进行采样。阵列A和B拥有相同的采样频率(每隔3点采样)，但不同的排列。采样阵列中的1表示在此点采样，x表示在此点不采样。使用阵列A时，红绿蓝采样在同一象素处，而使用阵列B时，红绿蓝错开一个象素采样。假设在每一颜色层中分别用简单的线性插值方法来估算没有被采到的象素(标记为x)，计算结果可见上表，带下划的数值表示它们是由采样数据复制而来，它们之间的象素是通过插值计算而来。

可以看到由阵列A和B得到的结果有两点不同。一是有误差的象素个数(A为2个象素，B为4个象素)，这些象素用粗斜体字标出。第二个差别是人视觉系统对误差的接受程度，由A得到结果是由白到灰再到黑，这种渐变给视觉系统的只是一个有点模糊的黑白边缘(图像值由100渐变为80，60而最终40)，而由B得到的结果则是一个带彩色失真的边缘(在边缘处每个象素的红绿蓝值不相同)。这一个例子说明了，要减小失真，要减少人视觉系统敏感的失真，三原色滤波单元应尽量靠近。而美国专利5323233中彩色单元散落在中性单元之间则会造成较严重彩色失真。如果在这样的阵列中设计更多的中性单元，彩色单元之间将间隔更远，彩色失真将更严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于数字成像的彩色滤波阵列，该阵列的排列方式具有对照度信息的采样频率高且光能收集效率高的特点，而对色度信息则具有采样率低但采样集中的特点；通过在照度一色度颜色空间中将照度信息和色度信息合成，可得到高分辨率、低彩色失真、高灵敏度的彩色图像。本发明还提供基于该彩色滤波阵列的数字成像方法。

本发明所述的用于数字成像的彩色滤波阵列，包括多个中性照度单元和多个彩色滤波单元(参见图2)，其特征在于：中性照度单元占大多数，一般大于55％，特殊应用中可高达92％，而彩色滤波单元占少数；彩色滤波单元排列成沿行、列方向重复的彩色滤波小区，每个彩色滤波小区内至少含有三个三原色彩色单元，分别与三原色红绿蓝或者青品黄对应。

所述的用于数字成像的彩色滤波阵列，其特征在于：彩色滤波小区在行和列方向上每间隔3个或4个，甚至更多单元重复出现，彩色滤波小区的重复排列为网格形式、或者为交错形式；每一个彩色滤波小区由三个三原色彩色单元、或者由三个三原色彩色单元和三原色之一的彩色单元组成。

减色混合的三原色—青(C)品(M)黄(Y)在一些数码相机中也有应用，如Kodak DCS620X数码相机。为保证色彩的真实性，有时青品黄还与绿色配合使用，如Canon PowerShot G1。同理，本发明所述的彩色滤波阵列还可以由减色混合的三原色—青品黄构成。

彩色滤波单元的光谱透过特性分别与现行的彩色滤波阵列中的单元相同。中性照度单元对光谱没有选择性，可为中性密度滤波器(即只对光强衰减性透过)或完全透明。