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)是處理可見光的測量。人眼僅能看見在可見光譜范圍內(nèi)的光并且 對光譜中不同波長的光有不同的敏感度。當(dāng)適應(yīng)明亮的環(huán)境(白晝視覺)時， 眼睛對(波長在)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 勵值說明。三色激勵值是對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。
通常來說，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，舉例來說，1024 x 768意味著每 行顯示1024個像素，每列有768個像素(列)。許多圖像采集和顯示系統(tǒng)無 法在同一位點顯示不同的色道。該方法通常由使用多個各自處理單色信道的 子像素來解決。在彩色系統(tǒng)中，每個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 個濾色片限制了提供到相關(guān)圖像傳感器上光的波長。最通常運用的是紅、綠、 藍(lán)三種顏色的(RGB)模式。其他的色彩運用也存在類似的三色，例如黃色， 品紅，青色，互補模式或混合的原色/互補色和四色系統(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相鄰像素中都需要紅、綠、藍(lán)全部三種顏色成分，每個 像素應(yīng)有同樣數(shù)目的給定顏色的臨近物，并且對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。每個像 素被獨立的紅，綠或藍(lán)色濾色片覆蓋。因此每個圖像傳感器即像素僅捕捉到 一種顏色;每個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)多次用于例示說明一個實際圖像傳感器。相比同像素數(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，它要求對插值進(jìn) 行計算以重建每個像素的色值。
雖然RGB顏色模型足以對圖像進(jìn)行電腦圖形圖像描繪，但人們普遍認(rèn) 識到的YUV顏色模型更準(zhǔn)確模仿了人類對顏色的感知。YUV色彩模型定義 了一個由一個亮度(Y)和兩個色度(UV)成分(飽和度和色調(diào))的顏色空 間。數(shù)碼相機中具有代表性的是會用一種使綠色(G)像素與亮度(Y)信 道相似的圖片重建過程把RGB像素值轉(zhuǎn)換到Y(jié)UV組件中。通過簡單的內(nèi)插 法來近似非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，所有像素應(yīng)該有其亮度和色度值而他們的RGB值，通過R-Y + Cr，B-Y + Cb計算并且G從公式Y(jié)=(R+G+B)/3或Y=0.2R + 0.7G + 0.1B或其他一些 類似的公式計算得到。綜上所述，顯然Bayer CFA方法為了簡便而對精確度 和分辨率進(jìn)行了折衷。
雖然，上述生成單獨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。因為人眼對亮度信息最為敏感，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)明的一個方面， 一個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采用多種顏色以計算亮度時所用顏色 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采用 多種顏色以計算亮度時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像素中直接測得，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)點將在下文根據(jù)相關(guān)附圖有 更詳細(xì)的說明。


圖1所示，是一個運用現(xiàn)有技術(shù)的Bayer模式濾色片陣列的圖表。 圖2所示，是一個說明本發(fā)明的亮度(Y)濾色片的幾種實施例的圖表。 圖3所示，是一個說明本發(fā)明亮度像素組成部分的高層結(jié)構(gòu)圖。 圖4所示，是一個使用(圖2)亮度濾色片的色濾光片陣列的實施例的 圖表。
圖5所示，是一個表示本發(fā)明所使用(圖2)亮度濾色片的色濾光片陣列的第二種實施例的圖表。 躺錢弒
按照本發(fā)明的一個方面，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)大大提高了對指定尺寸的 像素和圖像傳感器在圖像采集過程中的精確度。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) 點將在附圖以及隨后的說明中體現(xiàn)。
本發(fā)明的一方面是對即使人眼對像素亮度信息比對像素色度信息更為 敏感，也沒被Bayer CFA使用的事實的具體實現(xiàn)。本發(fā)明中， 一種改進(jìn)的 CFA設(shè)計強調(diào)了亮度信息的采集超過色度信息的采集--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)插過程中內(nèi)在的復(fù)雜性和誤差，同時提供高分辨率的輸出。
如圖2A-2C說明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，互補模式或混合的原色 和互補色或四色系統(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)人類視覺特征而定。
圖2A-2C說明像素的形狀是任意的。圖2A說明一種矩形像素，圖2B 說明一種正方形像素，圖2C說明一種圓形像素，同樣其他可能出于特別設(shè) 計的形狀作為等價方案也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
圖3是一個說明本發(fā)明中Y像素組件的結(jié)構(gòu)圖，Y像素40包括了一個 Y像素掩膜42和一個圖像傳感器44。 Y像素掩膜是包括一個具有多種顏色 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算范圍 內(nèi)各顏色波長的比例相一致。圖像傳感器由一個CCD (電荷耦合器件)或 CMOS (互補型金屬氧化物半導(dǎo)體.)技術(shù)實現(xiàn)。 一個較佳的實施例，其圖像 傳感器是一個例如在專利申請?zhí)?1/533,866中公布的高動態(tài)范圍靈敏圖像傳 感器，或者在專利申請?zhí)?1/533,870中公布的具有增益控制的高動態(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說明一個建立在CFA模式的基礎(chǔ)上的 亮度(Y)的較佳實施例。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)例示出一個實際的圖像傳感器。這種較佳的 CFA模式利用了人眼神經(jīng)性視覺性能和消除有關(guān)Bayer CFA模式的缺點。
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，每個色度 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)， 來自各個空間方向的亮度信息，其有效性確保對亮度信息精確復(fù)原。舉例來 說，在色度像素區(qū)域內(nèi)的亮度值可以通過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，每個亮度像素不是與兩個就是與四個色度像素相鄰。 色度信息與亮度像素接近，確保在亮度像素區(qū)域內(nèi)對色度信息的精確復(fù)原，可以通過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)對色度信息的準(zhǔn)確復(fù)原。
圖5中說明了另一種較佳的利用所披露的亮度像素的CFA實施例。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)例示出一個實際的圖像傳感器。這個較佳的CFA模式也利 用了人眼神經(jīng)性視覺性能和消除有關(guān)Bayer CFA模式的缺點。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，每個亮度像素被四個色度.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)對色度信息的準(zhǔn)確復(fù)原。
因此，本發(fā)明涉及了一種實施CFA濾色片的方法，該方法通過利用亮 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 實施例對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。
如上所述，本發(fā)明有各種不同的實施例，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施例所限 定。各種具有代表性的成分可在運用一臺電腦的硬件，軟件或者兩者結(jié)合中
實現(xiàn)。圖例說明中的實施例可在沒有偏離所展示的發(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采用多種顏色以計算亮度時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 來自亮度濾色片的已過濾亮度的電磁輻射信號，并且提供一個指示電磁輻射 輸入信號的亮度的輸出。
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)采用多種顏色以計算 亮度時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，耦合于接收一個來自亮度濾色片的已過濾亮度的電磁輻射信 號，并且提供一個指示電磁輻射輸入信號的亮度的輸出。
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，其特征在于每個色度像素至少與兩個亮度像素相鄰。
8. 按權(quán)利要求7所述的色濾光片陣列，其特征在于每個色度像素至少 與4個亮度像素相鄰。
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 多個色度像素的每一個。
全文摘要
一種使用亮度像素實現(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)大大提高了對于給定像素和圖像傳感器尺寸的圖像采集過程中的精確度。
文檔編號H04N5/335GK101455075SQ200680042124
公開日2009年6月10日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者索林·達(dá)維多維奇 申請人:Rjs科技公司