JP2010504664A

JP2010504664A - モノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像方法と装置

Info

Publication number: JP2010504664A
Application number: JP2009528574A
Authority: JP
Inventors: 王錦峰
Original assignee: 王錦峰
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2010-02-12
Also published as: CN101150732A; CN101150732B; WO2008034301A1; US20100060755A1

Abstract

【課題】モノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像方法と装置を提供する。
【解決手段】本発明のモノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像方法と装置は、飽和度調節因子の値の採取範囲が０．５〜３である。輝度増幅の値の採取範囲が０．５〜３のとき、外界光の影響を受けないか、或いは、外界光の影響が無視できる環境にあり、被撮影物がカラーイメージを合成する撮影過程におけるカメラ静止条件下で、光源発光強度調節回路により、赤色LEDランプ環形光源ユニット、緑色LEDランプ環形光源ユニット、青色LEDランプ環形光源ユニットの輝度を単独調整して、ホワイトバランスを実現する。撮影時、光源発光順序制御回路により、各光源を単独で開閉制御する。光源の準備後、制御回路により触発カメラによるイメージ撮影を実現する。上述の方法と構造により、色がリアルで、フィルターが不要で、光に対する敏感度が高く、先端応用が可能で、コストが低いモノクロカメラによりカラーイメージを撮影する結像方法と装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、結像システムに関するものであって、特に、モノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像方法と装置に関するものである。

一般のカラーカメラ結像はベイヤーパターン（Bayer Filter Pattern）にフィルターを加える方式でカラーイメージ功能を実現し、画素値は自身の画素値と相隣する画素値により色補間演算法を実行して、各画素のR、G、B値を計算する。この種の方式を採用したカラーカメラの相隣画素の光電子は溢れ出やすく、クロスカラーが生じ、色飽和度が低く、フィルターを使用しなければならないことや、光に対する敏感度とフレキシブル性が弱いという欠点がある。
現在の３CCDカメラはこれらの欠点を克服しているが、３CCDの製造コストは高く、応用に適さない。

また、モノクロカメラによりカラーイメージを撮影する方案がある。赤、緑、青の三色の単一光線を回転発射して被観測目標に照射し、毎回、単独で被観測物の色情報を獲得し、色情報をソフトウェアにより処理してカラーイメージにする。しかし、多くの先端応用において、短い露光時間と大きい被写界深度を強調するようになってきていて、この種の結像方式を採用する場合、まず、カラーイメージを得るのには以前の普通のカラーカメラよりも３倍の時間を必要とし、次に、ホワイトバランスが実現せず、好ましいカラーイメージ効果を得るのに、ホワイトバランスを実行しないと、普通のカラーカメラよりも更によいイメージを得るのは不可能である。また、普通のカメラは飽和度と増幅の調節があり、ある応用において、それらは不可欠なものであり、例えば、色情報により物体の高度変化を体現する応用中で、飽和度を強化する必要があり、よって、現在の単色光をカラーイメージに合成する方案は理想的でなく、また、利用価値も低い。

上述の問題を改善するため、本発明は、色がリアルで、フィルターが不要、光に対する敏感度が高く、先端応用を満足させ、コストが低いモノクロカメラを用いたカラーイメージの結像方法と装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の方法は、以下のプロセスからなる。
（１）赤色LEDランプ、緑色LEDランプ、青色LEDランプを照明光源とし、回転発射した赤、緑、青色のうちの任意の二種類の複数色の光線をイメージオブジェクトに直射する。
（２）イメージオブジェクトは光学レンズを経てカメラのセンサーチップ上で結像され、カメラのセンサーチップは周辺回路によりデジタルイメージ情報を処理機（PC）に伝送し、処理機（PC）上で同一位置の三個の複数色の環境下で、赤色と緑色のグレイレベルイメージI１、緑色と青色のグレイレベルイメージI２、および、青色と赤色のグレイレベルイメージI３を得る。
（３）赤色と緑色のグレイレベルイメージI１対応位置のグレイレベル値ｉ１、緑色と青色のグレイレベルイメージI２対応位置のグレイレベル値ｉ２、および、青色と赤色のグレイレベルイメージI３対応位置のグレイレベル値ｉ３はイメージ合成計算処理モジュールにより、イメージ上の各点に対し以下のような計算処理が実行され、以下の公式により現在位置の赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、および、青色分量値ｂを求めて、飽和度と輝度要求を満たすカラーイメージを得る。計算公式は以下のようである。
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)
ｓは飽和度と調節因子で、値の採取範囲は０．５〜３、gainは輝度増幅、値の採取範囲は０．５〜３である。ａ１、ａ２、ａ３は公式中の仮定文字である。
（４）飽和度と輝度増幅を設定後、カラーイメージのホワイトバランスを実行する。まず、標準グレイレベルカラーカードのカラーイメージを撮影し、続いて、カラーイメージ全体の赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、青色分量値ｂの平均輝度を計算し、最後に、光源発光強度調節回路により光源の輝度を調節して、赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、青色分量値ｂが等しくなるとき、調節を終了し、光源発光強度調整回路をロックし、ホワイトバランスを完成する。
（５）更に、実物を撮影し、リアルな色で、鮮明なカラーイメージを得て、反復を実行しカラーイメージの合成を繰り返し実行し、即時に表示する効果を実現する。
本発明による方法と装置は、モノクロカメラ、赤色LEDランプ環形光源ユニット、緑色LEDランプ環形光源ユニット、青色LEDランプ環形光源ユニット、からなり、更に、光源発光強度調節回路、光源発光順序制御回路、触発カメラ撮影回路、光源電源モジュール、標準グレイレベルカラーカード、および、イメージ合成計算処理モジュール、を有する。赤色LEDランプ環形光源ユニット、緑色LEDランプ環形光源ユニット、青色LEDランプ環形光源ユニットは、モノクロカメラの下部分の半球形表面に分布し、頂部は赤色LEDランプ環形光源ユニット、中間は緑色LEDランプ環形光源ユニット、下面は青色LEDランプ環形光源ユニットで、モノクロカメラの視野範囲内で照度が均一な結像環境を提供する。光源発光強度調節回路と光源発光順序制御回路の出力は光源電源モジュールを制御し、光源電源モジュールの出力は、赤色LEDランプ環形光源ユニット、緑色LEDランプ環形光源ユニット、青色LEDランプ環形光源ユニットを制御し、光源電源モジュールはデータをイメージ合成計算処理モジュールに登録する。光源発光強度調節回路、光源発光順序制御回路、および、イメージ合成計算処理モジュールの出力は触発カメラ撮影回路を制御し、触発カメラ撮影回路はカメラセンサーチップ内に出力する。

本発明の好ましい実施例によると、本発明は、自動光学検出システム上に応用できる。本発明の長所は以下のようである。
１．解像度はベイヤーパターン（Bayer Filter Pattern）カラーカメラの３倍である。
２．ベイヤーパターンカラーカメラの相隣画素の光電子の溢出問題がない。
３．補間計算により生じるクロスカラーの問題を解決する。
４．光に対する敏感度を大幅に向上し、複数色の光照明を採用するので、光の重複と相補に基づいて、カメラの敏感度をモノカラー光イメージの二倍に向上させ、同時に、モノクロカメラはフィルターを使用しないので、普通のカラーカメラがカラーイメージを得るのと同様の速度を達成し、公知の方法（モノクロカメラでカラーイメージを撮影する）の速度が遅すぎる問題を解決する。
５．各組の光源輝度は単独で調整でき、標準のグレイレベルカラーカードを採用して合成イメージに対しホワイトバランスを実行し、公知の方法（モノクロカメラでカラーイメージを撮影する）中に存在する色温度の不正常、および、調整できない問題を解決する。
６．イメージ合成過程で、飽和度調整と増幅調整因子を加え、特殊な応用の要求を満たし、モノクロカメラがカラー功能を実現することの不足を改善する。
７．３CCDカメラの６分の１のコストで、効果は３CCDカメラよりもよく、普通のカラーカメラのコストよりも低い。
よって、本発明は色がリアルで、フィルターが不要で、光に対する敏感度が高く、先端応用が可能で、コストが低いモノクロカメラによりカラーイメージを撮影する結像方法と装置を提供することができる。

本発明の結像を示す図である。本発明のホワイトバランスを示す図である。本発明の回路原理を示す図である。

[実施例]
図と具体例による本発明を詳細に説明する。
図１〜図３から分かるように、本発明は、モノクロカメラと、赤色LEDランプ環形光源ユニット１、緑色LEDランプ環形光源ユニット２、青色LEDランプ環形光源ユニット３、光源発光強度調節回路、光源発光順序制御回路、触発カメラ撮影回路、光源電源モジュール、標準グレイレベルカラーカード７、および、イメージ合成計算処理モジュール、からなる。赤色LEDランプ環形光源ユニット１、緑色LEDランプ環形光源ユニット２、青色LEDランプ環形光源ユニット３は、モノクロカメラの下部分の半球形表面に分布し、頂部は赤色LEDランプ環形光源ユニット１、中間は緑色LEDランプ環形光源ユニット２、下面は青色LEDランプ環形光源ユニット３で、モノクロカメラの視野範囲内で照度が均一な結像環境を提供する。光源発光強度調節回路と光源発光順序制御回路の出力は光源電源モジュールを制御し、光源電源モジュールはの出力、赤色LEDランプ環形光源ユニット、緑色LEDランプ環形光源ユニット、青色LEDランプ環形光源ユニットを制御し、光源電源モジュールはデータをイメージ合成計算処理モジュールに登録する。光源発光強度調節回路、光源発光順序制御回路、および、イメージ合成計算処理モジュールの出力は触発カメラ撮影回路を制御し、触発カメラ撮影回路はカメラセンサーチップ内に出力する。

本発明の結像方法は、以下のプロセスからなる。
（１）赤色LEDランプ環形光源ユニット１、緑色LEDランプ環形光源ユニット２、青色LEDランプ環形光源ユニット３を照明光源とし、光源発光順序制御回路の制御により、赤、緑、青色のうちの任意の二種類の複数色（赤と緑の複数色、或いは、緑と青の複数色、或いは、青と赤の複数色）の光線を回転発射してをイメージオブジェクト４に直射する。

（２）イメージオブジェクト４は光学レンズ５を経てカメラのセンサーチップ６上で結像され、カメラのセンサーチップ６は周辺回路によりデジタルイメージ情報を処理機（PC）に伝送し、処理機（PC）上で同一位置の三個の複数色の環境下で、赤色と緑色のグレイレベルイメージI１、緑色と青色のグレイレベルイメージI２、および、青色と赤色のグレイレベルイメージI３を得る。

（３）赤色と緑色のグレイレベルイメージI１対応位置のグレイレベル値ｉ１、緑色と青色のグレイレベルイメージI２対応位置のグレイレベル値ｉ２、および、青色と赤色のグレイレベルイメージI３対応位置のグレイレベル値ｉ３はイメージ合成計算処理モジュールにより、イメージ上の各点に対し以下のような計算処理が実行され、以下の公式により現在位置の赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、および、青色分量値ｂを求めて、飽和度と輝度要求を満たすカラーイメージを得る。計算公式は以下のようである。
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)
ｓは飽和度と調節因子で、値の採取範囲は０．５〜３、例えばｓ＝１．６、gainは輝度増幅、値の採取範囲は０．５〜３、例えばｇａｉｎ＝１．３である。
ａ１、ａ２、ａ３は公式中の仮定文字である。

（４）飽和度と輝度増幅を設定後、カラーイメージのホワイトバランスを実行する。まず、標準グレイレベルカラーカードのカラーイメージを撮影し、続いて、カラーイメージ全体の赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、青色分量値ｂの平均輝度を計算し、最後に、光源発光強度調節回路により光源の輝度を調節して、赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、青色分量値ｂが等しくなるとき、調節を終了し、光源発光強度調整回路をロックし、ホワイトバランスを完成する。
本発明はｓ＝１．６、ｇａｉｎ＝１．３のとき、採集したカラーイメージの赤色分量値ｒの平均値は１５０となり、緑色分量値ｇの平均値は１５０となり、青色分量値ｂの平均値は１５０となる。

（５）更に、実物を撮影し、リアルな色で、鮮明なカラーイメージを得て、カラーイメージを合成し、即時に表示する効果を実現する。
本発明の好ましい実施例は、自動光学検査システム上に応用でき、３CCDカラーカメラのイメージ品質を得ることができ、同様の性能を有する。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１赤色LEDランプ環形光源ユニット
２緑色LEDランプ環形光源ユニット
３青色LEDランプ環形光源ユニット
４イメージオブジェクト
５光学レンズ
６カメラのセンサーチップ
７グレイレベルカラーカード

Claims

モノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像方法であって、との特徴は、
（１）赤色LEDランプ、緑色LEDランプ、青色LEDランプを照明光源とし、赤、緑、青色のうちの任意の二種類の複数色の光線回転発射しをイメージオブジェクト４に直射するステップと、
（２）前記イメージオブジェクト４は光学レンズ５を経てカメラのセンサーチップ６上で結像され、前記カメラのセンサーチップ６は周辺回路によりデジタルイメージ情報を処理機（PC）に伝送し、前記処理機（PC）上で同一位置の三個の複数色の環境下で、赤色と緑色のグレイレベルイメージI１、緑色と青色のグレイレベルイメージI２、および、青色と赤色のグレイレベルイメージI３を得るステップと、
（３）前記赤色と緑色のグレイレベルイメージI１対応位置のグレイレベル値ｉ１、前記緑色と青色のグレイレベルイメージI２対応位置のグレイレベル値ｉ２、および、前記青色と赤色のグレイレベルイメージI３対応位置のグレイレベル値ｉ３は前記イメージ合成計算処理モジュールにより、イメージ上の各点に対し以下のような計算処理が実行され、以下の公式により現在位置の赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、および、青色分量値ｂを求めて、飽和度と輝度要求を満たすカラーイメージを得て、計算公式は以下のようであり、
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)
前記ｓは飽和度と調節因子で、値の採取範囲は０．５〜３、gainは輝度増幅、値の採取範囲は０．５〜３である。ａ１、ａ２、ａ３は公式中の仮定文字であり、
（４）飽和度と輝度増幅を設定後、カラーイメージのホワイトバランスを実行する。まず、標準グレイレベルカラーカード７のカラーイメージを撮影し、続いて、カラーイメージ全体の前記赤色分量値ｒ、前記緑色分量値ｇ、前記青色分量値ｂの平均輝度を計算し、最後に、光源発光強度調節回路により光源の輝度を調節して、赤色分量値ｒ、緑色分量値ｇ、青色分量値ｂが等しくなるとき、調節を終了し、前記光源発光強度調整回路をロックし、ホワイトバランスを完成するステップと、
（５）更に、実物を撮影し、リアルな色で、鮮明なカラーイメージを得て、カラーイメージの合成を繰り返し実行し、即時に表示する効果を実現するステップと、
からなることを特徴とするモノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像方法。
モノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像装置であって、本装置は、モノクロカメラと、赤色LEDランプ環形光源ユニット１、緑色LEDランプ環形光源ユニット２、青色LEDランプ環形光源ユニット３、とからなり、更に、光源発光強度調節回路、光源発光順序制御回路、触発カメラ撮影回路、光源電源モジュール、標準グレイレベルカラーカード７、および、イメージ合成計算処理モジュール、を有し、前記赤色LEDランプ環形光源ユニット１、前記緑色LEDランプ環形光源ユニット２、前記青色LEDランプ環形光源ユニット３は、前記モノクロカメラの下部分の半球形表面に分布し、頂部は前記赤色LEDランプ環形光源ユニット１、中間は前記緑色LEDランプ環形光源ユニット２、下面は前記青色LEDランプ環形光源ユニット３で、前記モノクロカメラの視野範囲内で照度が均一な結像環境を提供し、前記光源発光強度調節回路と前記光源発光順序制御回路の出力は光源電源モジュールを制御し、前記光源電源モジュールの出力は、前記赤色LEDランプ環形光源ユニット、前記緑色LEDランプ環形光源ユニット、前記青色LEDランプ環形光源ユニットを制御し、前記光源電源モジュールはデータを前記イメージ合成計算処理モジュールに登録し、前記光源発光強度調節回路、前記光源発光順序制御回路、および、前記イメージ合成計算処理モジュールの出力は前記触発カメラ撮影回路を制御し、前記触発カメラ撮影回路はカメラセンサーチップ内に出力することを特徴とする請求項１に記載のモノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像装置。
その特徴は、前記モノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像装置は自動光学検出システムに応用することができることを特徴とする請求項２に記載のモノクロカメラでカラーイメージを撮影する結像装置。