彩色图像采集

彩色图像采集的基本原理

电荷耦合器件（CCD）等图像传感器的感光单元本身只响应光强，输出的是灰度值，即单个二维数组（矩阵）中每个像素记录一个光强数值。要获得彩色图像，需要把入射光按波段分解，分别测量各波段的强度。其依据是：在常见显示与观察条件下，人眼对颜色的感知可近似由红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的三刺激值描述，因此分别测得 R、G、B 三种颜色光的强度后再混合，即可在相应色域内得到彩色图像。

方法一：三 CCD 分色

使用三个 CCD 分别检测不同颜色光的强度。入射光经透镜后，由一系列分光镜依次分离为红、绿、蓝三束光，每束光再通过对应颜色的滤光片，最终各自进入一个独立的 CCD 进行检测。三个 CCD 同步输出三幅单色（灰度）图像，对应同一场景的 R、G、B 三个通道，合成后即为彩色图像。

方法二：单阵列彩色滤波与插值

在单个感光阵列上覆盖矩阵式滤光片，使每个感光单元只接收某一种颜色的光。光线穿过红、绿、蓝滤光层到达感光元件，形成红、绿、蓝三个独立的单色网格图像。由于每个像素位置只测到一种颜色，其余两种颜色分量缺失，需要由算法根据相邻像素推断（“猜出来”）补全，这一过程称为插值。拜耳滤镜是常用的彩色滤波阵列排列方式，其插值前后的效果对比为：插值前图像呈由红、绿、蓝像素点组成的马赛克效果，插值后像素点被算法填充，形成平滑、自然的彩色图像。

彩色图像的存储

彩色图像在计算机中采用“三通道矩阵”方式存储：矩阵中的每个点由灰度图的单个实数变为三维向量，分别记录 R、G、B 三个通道的光强度。在 C/C++ 中，这种结构通常表示为三维数组 img[h][w][3]，其中 h 为图像高度（行数）、w 为宽度（列数）、最后一维长度为 3 对应 R、G、B 三个通道。灰度图则只需二维数组存储单个强度值。