CN101150732B - 用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置，在饱和度调节因子取值范围为：0.5～3；亮度增益取值范围为：0.5～3时，在不受外界光影响或外界光影响可忽略的环境以及被拍摄物体在合成彩色图像的一轮拍摄过程中相对相机静止条件下，能通过光源发光强度调节电路实现红色LED灯环形光源组、绿色LED灯环形光源组、蓝色LED灯环形光源组亮度单独可调来调节白平衡；在拍摄时，能通过光源发光顺序控制电路实现各组光源单独关闭和打开；在光源准备好后，能通过控制电路实现触发相机拍摄图像。通过采用上述方法和结构，就可提供一种颜色逼真、无需滤光片、对光灵敏度高、能够满足尖端应用、成本低的用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置。

Description

用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置
【技术领域】
本发明涉及一种成像系统，特别是涉及一种利用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置。
【背景技术】
普通彩色相机成像是采用Bayer Filter Pattern加滤光片的方式来实现彩色图像功能的，像素值用自身像素值和相邻像素值进行颜色插值算法计算各像素的R、G、B值，采用此种方式的彩色相机相邻像素点光电子易溢出，引起颜色失真现象，颜色饱合度偏低，并且必须采用滤光片，对光的灵敏度和灵活性不强。
目前的3CCD相机基本克服了这些缺陷，但是3CCD的制造成本很高，不利于推广使用。
另外还有通过黑白相机拍摄彩色图像的方案：轮换发射红，绿，蓝三种单色光照射被观测目标，每次单独获取被观测物的颜色信息，把颜色信息通过软件处理成彩色图像，但是在许多的尖端应用中，越来越强调极短的曝光时间和大景深，如果采用这种成像方式，首先是得到一幅彩色图像将比以前的普通彩色相机多用3倍的时间，其次是没有实现白平衡的方案，要达到好的彩色图像的效果，没有进行白平衡，是不可能得到比普通彩色相机更好图像的，另外普通相机还有饱和度和增益的调节，在一些应用中它们是必不可少的，比如用彩色信息体现物体高度变化的应用中一定要加强饱和度，因此目前的单色光合成彩色图像的方案是不成熟的，还没有太大的使用价值。
【发明内容】
本发明针对现有技术的上述缺陷，提供了一种颜色逼真、无需滤光片、对光灵敏度高、能够满足尖端应用、成本低的用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置。
为了解决上述技术问题，本发明所用方法包括以下步骤：
(1)红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯作为照明光源，通过轮换发射红色、绿色、蓝色中的任意两种复色光直射向成像物上；
(2)成像物通过光学镜头成像到相机感光芯片上，相机感光芯片通过外围电路处理成数字图像信息传输到处理机(PC)，处理机(PC)上得到同一位置的三副复色环境下红色加绿色的灰度图像I1、绿色加蓝色的灰度图像I2和蓝色加红色的灰度图像I3；
(3)红色加绿色的灰度图像I1对应位置的灰度值i1、绿色加蓝色的灰度图像I2对应位置的灰度值i2和蓝色加红色的灰度图像I3对应位置的灰度值i3通过图像合成计算处理模块对图像上的每一点执行下面的计算处理，通过以下公式求当前位置的红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b，就可以得到一副饱和度和亮度满足要求的彩色图像，计算公式如下：
i1＝r+g
i2＝g+b
i3＝b+r
a1＝(i1+i2+i3)/2
a2＝s*(i1-i2)；
a3＝s*(i1-i3)；
r＝gain*(a1+2*a2-a3)/3
b＝gain*(r-a2)
g＝gain*(a3+b)
其中s是饱和度调节因子，取值范围为：0.5～3；gain是亮度增益，取值范围为：0.5～3；a1、a2和a3为公式中的假设字母；
(4)在设定好饱和度和亮度增益后，进行彩色成像的白平衡；首先是拍摄标准灰度色卡的彩色图像，接着计算整幅彩色图像的红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b的平均亮度，最后通过光源发光强度调节电路调节光源的亮度，使得红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b基本相等时，终止调节，锁定光源发光强度调节电路，完成白平衡；
(5)再拍摄实物，便可以得到色彩逼真，高清晰的彩色图像，执行循环合成彩色图像，可以实现实时显示效果。
使用本发明所用方法的装置，包括黑白相机、红色LED灯环形光源组、绿色LED灯环形光源组、蓝色LED灯环形光源组，还包括光源发光强度调节电路、光源发光顺序控制电路、触发相机拍摄电路、光源电源模块、标准灰度色卡和图像合成计算处理模块；红色LED灯环形光源组、绿色LED灯环形光源组和蓝色LED灯环形光源组分布在黑白相机向下的半球形的表面上，顶部是所述红色LED灯环形光源组，中间是绿色LED灯环形光源组，下面是蓝色LED灯环形光源组，形成在黑白相机视野范围内提供一个有均匀照度的成像环境；光源发光强度调节电路和光源发光顺序控制电路输出控制光源电源模块，光源电源模块输出控制红色LED灯环形光源组、绿色LED灯环形光源组和蓝色LED灯环形光源组，光源电源模块将数据输入到图像合成计算处理模块；光源发光强度调节电路、光源发光顺序控制电路和图像合成计算处理模块输出控制触发相机拍摄电路，触发相机拍摄电路输出到相机感光芯片内。
作为本发明的一种优选实施例，本发明可应用在自动光学检测系统上。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
1.其分辨率是Bayer Filter Pattern彩色相机的3倍；
2.不存在Bayer Filter Pattern彩色相机相邻像素点光电子溢出的问题；
3.消除了因为插值计算引起的颜色失真；
4.大幅度提高了对光的灵敏度，由于采用复色光照明，根据光的重复和互补，使相机的灵敏度提高到单色光成像的两倍，同时黑白相机不使用滤光片，可以做到普通彩色相机获得一幅彩色图像同样的速度，解决了用现有方法(采用黑白相机拍摄彩色图像)速度太慢的问题；
5.每组光源亮度可以单独调整，采用标准灰度色卡对合成图像进行白平衡，解决了现有方法(采用黑白相机拍摄彩色图像)中存在的色温不正常，不能调的问题；
6.在合成图像过程中加入饱和度调节和增益调节因子，满足了一些特殊应用的要求，完善了黑白相机实现彩色功能的不足；
7.其成本只有3CCD相机的1/6，而效果比3CCD相机更好；比普通彩色相机的成本也要低；
因此本发明可提供一种颜色逼真、无需滤光片、对光灵敏度高、能够满足尖端应用、成本低的用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置。
【附图说明】
图1是本发明的成像示意图；
图2是本发明的白平衡示意图；
图3是本发明的电路原理示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
由图1至图3可以看出，本发明包括黑白相机、红色LED灯环形光源组1、绿色LED灯环形光源组2、蓝色LED灯环形光源组3、光源发光强度调节电路、光源发光顺序控制电路、触发相机拍摄电路、光源电源模块、标准灰度色卡7和图像合成计算处理模块；红色LED灯环形光源组1、绿色LED灯环形光源组2和蓝色LED灯环形光源组3分布在黑白相机向下的半球形的表面上，顶部是红色LED灯环形光源组1，中间是绿色LED灯环形光源组2，下面是蓝色LED灯环形光源组3，形成在黑白相机视野范围内提供一个有均匀照度的成像环境；光源发光强度调节电路和光源发光顺序控制电路输出控制光源电源模块，光源电源模块输出控制红色LED灯环形光源组1、绿色LED灯环形光源组2和蓝色LED灯环形光源组3，光源电源模块将数据输入到图像合成计算处理模块；光源发光强度调节电路、光源发光顺序控制电路和图像合成计算处理模块输出控制触发相机拍摄电路，触发相机拍摄电路输出到相机感光芯片内。
本发明的成像方法包括以下步骤：
(1)红色LED灯环形光源组1、绿色LED灯环形光源组2、蓝色LED灯环形光源组3作为照明光源，通过光源发光顺序控制电路的控制来轮换发射红色、绿色、蓝色中的任意两种复色光(红色加绿色的复色光或绿色加蓝色的复色光或蓝色加红色的复色光)直射向成像物4上；
(2)成像物4通过光学镜头5成像到相机感光芯片6上，相机感光芯片6通过外围电路处理成数字图像信息传输到处理机(PC)，处理机(PC)上得到同一位置的三副复色环境下红色加绿色的灰度图像I1、绿色加蓝色的灰度图像I2和蓝色加红色的灰度图像I3；
(3)红色加绿色的灰度图像I1对应位置的灰度值i1、绿色加蓝色的灰度图像I2对应位置的灰度值i2和蓝色加红色的灰度图像I3对应位置的灰度值i3通过图像合成计算处理模块对图像上的每一点执行下面的计算处理，通过以下公式求当前位置的红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b，就可以得到一副饱和度和亮度满足要求的彩色图像，计算公式如下：
i1＝r+g
i2＝g+b
i3＝b+r
a1＝(i1+i2+i3)/2
a2＝s*(i1-i2)；
a3＝s*(i1-i3)；
r＝gain*(a1+2*a2-a3)/3
b＝gain*(r-a2)
g＝gain*(a3+b)
其中s是饱和度调节因子，取值范围为：0.5～3，如s＝1.6；gain是亮度增益，取值范围一般为：0.5～3，如gain＝1.3；所述a1、a2和a3为公式中的假设字母；
(4)在设定好饱和度和亮度增益后，进行彩色成像的白平衡；首先是拍摄标准灰度色卡7的彩色图像，接着计算整幅彩色图像的红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b的平均亮度，最后通过光源发光强度调节电路调节光源的亮度，使得红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b基本相等时，终止调节，锁定所述光源发光强度调节电路，完成白平衡；
在本发明中s＝1.6，gain＝1.3时，采集到的彩色图像红色分量值r的平均值为150，绿色分量值g的平均值为150，蓝色分量值b的平均值为150；
(5)再拍摄实物，便可以得到色彩逼真，高清晰的彩色图像，执行循环合成彩色图像，可以实现实时显示效果。
作为本发明的一种优选实施例，本发明可应用在自动光学检测系统上，可获得3CCD彩色相机的图像质量，具有相近的整体性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)红色LED灯、绿色LED灯和蓝色LED灯作为照明光源，通过轮换发射红色、绿色、蓝色中的任意两种复色光直射向成像物(4)上；
(2)所述成像物(4)通过光学镜头(5)成像到相机感光芯片(6)上，所述相机感光芯片(6)通过外围电路处理成数字图像信息传输到处理机(PC)，处理机(PC)上得到同一位置的三副复色环境下红色加绿色的灰度图像(I1)、绿色加蓝色的灰度图像(I2)和蓝色加红色的灰度图像(I3)；
(3)所述红色加绿色的灰度图像(I1)对应位置的灰度值i1、所述绿色加蓝色的灰度图像(I2)对应位置的灰度值i2和所述蓝色加红色的灰度图像(I3)对应位置的灰度值i3通过图像合成计算处理模块对图像上的每一点执行下面的计算处理，通过以下公式求当前位置的红色分量值r、绿色分量值g和蓝色分量值b，就可以得到一副饱和度和亮度满足要求的彩色图像，计算公式如下：
i1＝r+g
i2＝g+b
i3＝b+r
a1＝(i1+i2+i3)/2
a2＝s*(i1-i2)；
a3＝s*(i1-i3)；
r＝gain*(a1+2*a2-a3)/3
b＝gain*(r-a2)
g＝gain*(a3+b)
其中所述s是饱和度调节因子，取值范围为：0.5-3；所述gain是亮度增益，取值范围为：0.5-3；所述a1、a2和a3为公式中的假设字母；
(4)在设定好饱和度和亮度增益后，进行彩色成像的白平衡；首先是拍摄标准灰度色卡(7)的彩色图像，接着计算整幅彩色图像的所述红色分量值r、所述绿色分量值g和所述蓝色分量值b的平均亮度，最后通过光源发光强度调节电路调节光源的亮度，使得所述红色分量值r、所述绿色分量值g和所述蓝色分量值b基本相等时，终止调节，锁定所述光源发光强度调节电路，完成白平衡；
(5)再拍摄实物，便可以得到色彩逼真、高清晰的彩色图像，执行循环合成彩色图像，可以实现实时显示效果。
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Assignee: Aleader Vision Technology Co., Ltd.

Assignor: Wang Jinfeng

Contract record no.: 2011440000038

Denomination of invention: Imaging method and device for color image shot by black and white camera

Granted publication date: 20100811

License type: Exclusive License

Open date: 20080326

Record date: 20110120

ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: DONGGUAN ALEAD VISION TECHNOLOGY CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: WANG JINFENG

Effective date: 20110817

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Effective date of registration: 20110817

Address after: Fifty-two thousand and three hundred Xinghua Industrial Park in Guangdong city of Dongguan province Dongcheng District Niushan Jingjiling building F

Patentee after: Aleader Vision Technology Co., Ltd.

Address before: 523013 Guangdong province Dongguan City Guangcheng Guan Long Lu Dahong Shan Industrial Zone F building four floor

Patentee before: Wang Jinfeng