ccd立體相機(jī)相關(guān)背景知識(shí)介紹

ccd立體相機(jī)嫦娥一號(hào)CCD立體相機(jī)工作原理簡介

CCD立體相機(jī)是嫦娥一號(hào)獲取月球表面三維影像的主要光學(xué)遙感器(除此之外還有"激光高度計(jì)"等).嫦娥一號(hào)攜帶的是采用三線陣工作原理的相機(jī).所謂三線陣就是說,ccd相機(jī)對同一月球表面目標(biāo)以不同的視角拍攝前視,正視及后視三幅二維平面圖.圖像通過信號(hào)傳輸系統(tǒng)傳回地面后,相關(guān)技術(shù)人員再對這些圖片進(jìn)行處理(即"三維重建"),就可以繪制出月表的三維立體影像.與其它采用三線陣原理的立體相機(jī)不同的是,嫦娥一號(hào)所攜的這臺(tái)CCD立體相機(jī)并沒有采用"3臺(tái)相機(jī)分別指向3個(gè)方向"的做法,而是只采用一組鏡片和一片面陣CCD,采集前中后三條線的數(shù)據(jù),這樣做大大地簡化了立體相機(jī)整體的結(jié)構(gòu),為"嫦娥一號(hào)"節(jié)省了更多的寶貴空間和質(zhì)量.

ccd立體相機(jī)"CCD"介紹

CCD(Charge-Coupled Device,電荷耦合器件)是數(shù)碼相機(jī)里的一個(gè)重要部件

它是一種光電轉(zhuǎn)換器件,用集成電路工藝制成.它以電荷包的形式儲(chǔ)存和傳送信息,主要由光敏單元,輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部分組成.CCD上的感光單元將接收到的光線轉(zhuǎn)換為電荷量,而且電荷量大小與入射光的強(qiáng)度成正比.這樣,矩陣排列的感光單元構(gòu)成的面陣CCD便可傳感圖像.用一個(gè)形象的比喻來說明,CCD的結(jié)構(gòu)就像一排排輸送帶上并排放滿小桶,光線就像雨滴撒入各個(gè)小桶,每個(gè)小桶就是一個(gè)像素.按快門拍照的過程,就是按一定的順序測量一下某一短暫的時(shí)間中,小桶中落進(jìn)了多少"光滴",并記在文件中.

ccd立體相機(jī)"三維圖形"與"二維圖形"

所謂三維理解是指對被觀察物體的形狀,尺寸,距離,質(zhì)地和運(yùn)動(dòng)特征(方向和速度)等的理解.這樣就會(huì)形成立體感.在計(jì)算機(jī)里顯示3d圖形,就是說在平面里顯示三維圖形.不像現(xiàn)實(shí)世界里,真實(shí)的三維空間,有真實(shí)的距離空間.計(jì)算機(jī)里只是看起來很像真實(shí)世界,因此在計(jì)算機(jī)顯示的3d圖形,就是讓人眼看上去就像真的一樣.人眼有一個(gè)特性就是近大遠(yuǎn)小,按如今的理解,人類視覺系統(tǒng)的感受部分視網(wǎng)膜,就是一個(gè)二維采樣系統(tǒng).三維物體的可見部分成像到視網(wǎng)膜上,人們按照視網(wǎng)膜上的像來對物體進(jìn)行三維理解.計(jì)算機(jī)屏幕是平面二維的,我們之所以能欣賞到真如實(shí)物般的三維圖像,是因?yàn)轱@示在計(jì)算機(jī)屏幕上時(shí)色彩灰度的不同而使人眼產(chǎn)生視覺上的錯(cuò)覺,而將二維的計(jì)算機(jī)屏幕感知為三維圖像.基于色彩學(xué)的有關(guān)知識(shí),三維物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色,而凹下去的部分由于受光線的遮擋而顯暗色.我們一般用視覺傳感器來獲得圖像信息.它可以分為兩類,第一類是攝像機(jī)等獲得的數(shù)字灰度圖像,這樣的圖像一般與物體的反光強(qiáng)度有關(guān).但這樣的圖像不給出直接的三維信息,對計(jì)算機(jī)來說,難以從這種圖像上理解和推斷圖像上各個(gè)部分之間的空間關(guān)系.第二類是三維視覺傳感獲得的距離圖像.這種圖像與攝像機(jī)獲得的數(shù)字灰度圖像的主要區(qū)別在于:圖像上每一點(diǎn)的像素值不是亮度而是距離.這樣的圖像與距離無關(guān),不但能明確地標(biāo)示圖像中的位置關(guān)系,而且物體的三維外形與物體表面形狀相同,因此,利用計(jì)算機(jī)從這種具有的三維信息的圖像上識(shí)別物體形狀比灰度圖想要容易.

ccd立體相機(jī)"三維重建"

一般我們得到的圖像信息都是攝像機(jī)等獲得的數(shù)字灰度圖像.這樣我們就要進(jìn)行三維圖像重建.我們可以利用不同視點(diǎn)上的也許是不同時(shí)間拍攝的兩幅或更多幅圖像提供的信息重構(gòu)三維圖像.簡單的說,就是利用兩個(gè)攝像機(jī)同時(shí)拍下兩幅圖像或用一個(gè)攝像機(jī)沿任一軌道順序拍下圖像.這樣我們就可以通過對獲得圖像建立點(diǎn)點(diǎn)對應(yīng)的關(guān)系,求出二者之間的差值而獲得圖像的深度信息,再經(jīng)過進(jìn)一步的處理就可以獲得三維空間的景物.

2007年10月24日，嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，奔向距離地球約38萬公里外的月球。本次探月，普通人也有望看到月球的真實(shí)面貌，這都?xì)w功于——立體影像技術(shù)。中國首幅月圖由嫦娥一號(hào)衛(wèi)星搭載的CCD立體相機(jī)采用線陣推掃的方式獲取，軌道高度約200公里，每一軌的月面幅寬60公里，像元分辨率120米。一般相機(jī)拍攝到的都是平面圖像，月球表面有很大的起伏，平面圖像不能獲得視線深度方向上的影像數(shù)據(jù)。我國雖然是首次探月，但科學(xué)家們要求第一步就得到全月的立體圖像，這給相機(jī)的研制帶來很大的挑戰(zhàn)?！版隙鹨惶?hào)”所用的CCD立體相機(jī)在研制中采用了許多創(chuàng)新技術(shù)，并在國內(nèi)外首次提出采用一個(gè)大視場光學(xué)系統(tǒng)加一片大面陣CCD芯片，用一臺(tái)相機(jī)取代三臺(tái)相機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)了拍攝物的三維立體成像。立體相機(jī)在工作時(shí)，只采集三行CCD的輸出，分別獲取前視、正視、后視圖像，隨后進(jìn)行處理形成立體圖像。由于立體相機(jī)固定在衛(wèi)星上不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它只是隨衛(wèi)星與月球間的相對運(yùn)動(dòng)，對月球表面進(jìn)行掃描成像?！〖偃鐩]有這臺(tái)先進(jìn)的立體相機(jī)，按照傳統(tǒng)的技術(shù)方案就需要在衛(wèi)星上安裝3臺(tái)相機(jī)從3個(gè)角度對月球表面同一點(diǎn)拍照。但是，這樣會(huì)造成有效載荷的重量的增加，由此對火箭的發(fā)射能力、衛(wèi)星的體積和重量及其他配套設(shè)施的改造增加一系列技術(shù)難度，并使更多科學(xué)探測設(shè)備在衛(wèi)星上搭載受到限制。同時(shí)這臺(tái)CCD立體相機(jī)還以設(shè)備的小型化和輕量化提高了對空間環(huán)境的適應(yīng)能力。

全世界已拍攝的月球立體照片數(shù)量有限且不完整。這次探月如果順利進(jìn)行，我們就能看到由中國人拍攝的系列全月地形地貌立體照片?！‘?dāng)然，對于科學(xué)家來說，月球的立體影像資料的價(jià)值遠(yuǎn)不僅僅是為了讓大家能看到月球的地貌圖片，科學(xué)家將根據(jù)這些立體畫面劃分月球表面的構(gòu)造和地貌單位，制作月球斷裂和環(huán)形影像綱要圖，勾畫月球地質(zhì)構(gòu)造演化史，研究月球、宇宙的起源。同時(shí)這些圖像還將為我國后續(xù)的二期、三期探月工程服務(wù)，包括為下一步月球車以及宇航員登月選擇著陸地點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）是可用于立體相機(jī)的一種重要組成部分。它一種光敏半導(dǎo)體器件，其上的感光單元將接收到的光線轉(zhuǎn)換為電荷量，而且電荷量大小與入射光的強(qiáng)度成正比。這樣，矩陣排列的感光單元構(gòu)成的面陣CCD便可傳感圖像。

CCD被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)中，同時(shí)也在天文望遠(yuǎn)鏡、掃描儀和條形碼讀取器中有應(yīng)用。

嫦娥一號(hào)所使用的CCD立體相機(jī)在研制中采用了許多創(chuàng)新技術(shù)，如首次提出采用一個(gè)大視場光學(xué)系統(tǒng)和一片大面陣CCD芯片。它用一臺(tái)相機(jī)取代三臺(tái)相機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)拍攝物的三維立體成像。立體相機(jī)在工作時(shí)，采集CCD的輸出，分別獲取前視、正視、后視圖像，隨后進(jìn)行處理，形成立體圖像。CCD立體相機(jī)以自推掃模式工作，為了重構(gòu)月表立體影像的需要，在設(shè)計(jì)上做了特殊處理。

衛(wèi)星在飛行時(shí)，CCD立體相機(jī)沿飛行方向?qū)υ卤砟繕?biāo)進(jìn)行推掃，可以得到月表目標(biāo)三個(gè)不同角度的圖像。由于立體相機(jī)固定在衛(wèi)星上不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它只是隨衛(wèi)星與月球間的相對運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，對月球表面進(jìn)行掃描。這臺(tái)CCD立體相機(jī)還以設(shè)備的小型化和輕量化提高了對空間環(huán)境的適應(yīng)能力，它降低了有效載荷的重量，這使得火箭的發(fā)射能力、衛(wèi)星的體積和重量及其他配套設(shè)施的改造等一系列技術(shù)問題的實(shí)現(xiàn)難度得以降低。

世界上現(xiàn)存的月球立體照片數(shù)量有限且不完整，如果這次探月能夠順利完成，那么我們就能夠得到栩栩如生的全月地形地貌的立體照片。

獲取完整的月球立體影像資料不僅是為了讓大家能看到月球的地貌圖片，它具有深遠(yuǎn)的研究價(jià)值?？茖W(xué)家可以根據(jù)這些立體畫面劃分月球表面的構(gòu)造和地貌單位，并為下一步月球車以及宇航員登月選擇著落地點(diǎn)提供科學(xué)依據(jù)。我們期待早日看清月球的廬山真面目！

ccd立體相機(jī)概述

由于月球表面坎坷不平，普通相機(jī)所拍攝到的平面圖像不能獲得視線深度方向上的影像數(shù)據(jù)，因此需要使用立體相機(jī)。

ccd立體相機(jī)靜態(tài)景物拍攝和動(dòng)態(tài)景物拍攝兩大類

立體成像的拍攝可分為靜態(tài)景物拍攝和動(dòng)態(tài)景物拍攝兩大類。靜態(tài)景物的拍攝，只需要使用一部照相機(jī)，在某一個(gè)位置角度先拍一張照片，然后平行移動(dòng)照相機(jī)一段距離再拍一張，這樣就得到了一組具有視差的立體照片。動(dòng)態(tài)景物的拍攝，則需要利用特殊的立體相機(jī)（如雙鏡頭相機(jī)），或者兩部照相機(jī)一次同時(shí)拍攝兩張照片。

ccd立體相機(jī)早期技術(shù)

早期的立體成像技術(shù)主要依靠傳統(tǒng)照相機(jī)來拍取一組立體照片，并且透過立體鏡來重現(xiàn)立體影像。由于傳統(tǒng)立體照相制作繁瑣、不易流通等因素，僅限于專業(yè)攝影及少數(shù)特殊的領(lǐng)域，無法像傳統(tǒng)的平面照相一樣深入各層面。隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和CCD數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)，立體影像的技術(shù)與應(yīng)用有了突破性發(fā)展。

所謂立體測繪，就是對物體表面進(jìn)行全范圍的測繪。世界上主流測繪方式包括：立體觀測、雷達(dá)干涉測量和激光掃描測繪。其中，立體觀測技術(shù)最為成熟，已經(jīng)有了100多年的研究歷史,毫無疑問也是當(dāng)今各國用于月球立體測繪的首選通用型技術(shù)。立體觀測使用人眼左右視差的視覺原理來獲取三維信息。嫦娥一號(hào)為此就搭載了1臺(tái)CCD立體相機(jī)和1個(gè)激光高度計(jì)，組成1套“立體眼鏡”。

立體照相技術(shù)起源于19世紀(jì)30年代，Wheatstone于1838年發(fā)明了立體鏡。立體鏡由兩面彼此垂直的鏡子所組成，左右照片分別放置在照片的夾具上，轉(zhuǎn)動(dòng)游戲桿將照片調(diào)整至適當(dāng)位置即可看到立體影像。

1839年，Daguerre發(fā)明了銀鹽版照相法，不但奠定了照相的基礎(chǔ)，同時(shí)也帶動(dòng)了立體照相的蓬勃發(fā)展。

1849年，David Brewster以凸透鏡取代立體鏡中的鏡子，發(fā)明了改良型的立體鏡。

采用較大的成像元，較慢的讀取速度，可獲得更好的信噪比、寬廣的動(dòng)態(tài)范圍和較高的量子探測效率，可更準(zhǔn)確測量高分辨率圖像強(qiáng)度的數(shù)字成像系統(tǒng)的相機(jī)。

航空數(shù)字成圖相機(jī)系統(tǒng)(digital mapping camera system , 簡稱DMC)基于面陣CCD 設(shè)計(jì), 具有類似于框幅式膠片成像相同的幾何精度, 其數(shù)字圖像比膠片影像具有更好的成像品質(zhì), 圖像的地面分辨率可達(dá)厘米級。其技術(shù)特點(diǎn)是在CCD 單元的二維焦平面上提供了幾百萬個(gè)高精度的框標(biāo), 每一個(gè)CCD 像元都可被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的框標(biāo), 圖像數(shù)據(jù)在x 、y 方向具有經(jīng)典的中心投影關(guān)系, 減少了像元幾何關(guān)系的復(fù)雜性, 提高了工作效率;DMC 可以將8 塊獨(dú)立的CCD 面陣集成到一起構(gòu)成一個(gè)完整的成像系統(tǒng), 解決了面陣CCD 對成像尺寸的限制;系統(tǒng)采用最新的IEEE-1394 總線接口和Came ra Link 接口技術(shù)。DMC 圖像數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的、開放式的數(shù)據(jù)格式, 其數(shù)據(jù)產(chǎn)品能通用于流行的航空影像處理軟件 。

《生物物理學(xué)名詞》 (第二版)