[贴图]补充一下关于数字航测仪的相关内容

（一）航空胶片及CCD成像原理 1、胶片的感光特性和光谱特征当光线照射一个透光体时，透过光量(F)和投射光的总量(Fo)的比值叫做透光率(T)，公式如下： T=F/Fo 透光率的倒数就是阻光率(O)，即 O = 1/T = Fo/F 物体的透光率总是小于1的，因为没有完全透明的物体。而阻光率会很大，如透光率为1%那么阻光率为100。为了方便作图，一般用阻光率的对数作为一个参量，即密度值(D)，公式为： D=lgO 用一句话来描述密度(density)的概念就是“感光材料变黑的程度”。密度数值近似地与产生银或染料的数量成正比，也更符合人眼的响应近似为对数的习惯。以密度值为纵坐标，以10为底的曝光量的对数为横坐标的关系曲线。这种曲线成为H&D曲线，也称为感光特性曲线。感光特性曲线显示了在任意给定时间和特定显影剂的情况下各种曝光度对乳剂的影响。胶片的感光特性曲线如图2－1所示，胶片感光曲线的形状是由胶片曝光的曝光量和感光的密度决定的。感光特性曲线上X方向代表以10为底数的曝光量的对数(lgH)，Y方向代表胶片影像的密度值。 图 2－1 从胶片感光特性曲线可以看出：如果胶片曝光不足，溴化银不分解或者分解出极少量的银盐颗粒，胶片的保护层、透光膜等结构对胶片感光层的影响变大，严重的影响了影像亮度信息的真实性和胶片表现细节的能力。在这一段曝光量范围内，胶片感光产生的会是密度值很小的一段曲线。这段范围的曲线被称作趾部，代表胶片感光曲线的最低部分。相反，如果胶片曝光过度，溴化银分解产生的银盐颗粒过于密集，胶片透光率达到最小，也就是胶片感光后变的很“黑”，也会严重的影响影像亮度信息的真实性和胶片表现细节的能力。在这一段曝光范围内，胶片感光产生的会是密度值很大的一段曲线。这段范围的曲线被称为肩部，代表胶片感光曲线的最高部分。宽容度指的是感光特性曲线上直线部分在X方向上的投影范围，即宽容度定义为感光材料在摄影过程中按正比关系记录景物亮度反差的曝光量范围。对于胶片，这段投影范围没有包括趾部和肩部部分。所以，如果气象条件不理想，光线过暗或者太强，超出了胶片感光的宽容度，势必影响航摄任务的计划和安排。而且，每种胶片都是按照固定的感光度生产的，飞行中如果气象条件发生变化，而变化又超出了胶片的宽容度范围，这种情况下的返工重飞也会带来胶片的浪费和航摄成本费用的增加。 2、CCD的感光特性和光谱特征 CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，意为电荷耦合器件。在数字航摄相机中，CCD传感器的作用相当于航空胶片，它能记录光线的变化，即负责感受镜头捕捉的光线以形成数字图像。与传统胶片相比，CCD更接近于人眼视觉的工作方式。人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应，而CCD可分为如下几个层次：最底层是硅晶体，在这一层衬底上用氧化的方法形成一层厚度为100-150纳米的二氧化硅绝缘层。然后在绝缘层表面，按一定层次蒸镀金属电极或多晶硅，由此形成MOS电容器，或叫光电二极管。 MOS电容器是CCD的基础，一系列排列很紧密的MOS电容器就织成了一块CCD的感应线路。在感应线路之上，通常还覆盖着微镜头层和滤色镜层。微镜头层是用于增强CCD感光层受到的光信号强度；而滤色镜层的作用则使CCD能组合呈现彩色图像。这些滤色镜层网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵，由红(R)、绿(G)和蓝(B)滤色片所组成。CCD在红、绿、蓝三基色中对绿色最不敏感，因此一般以G-B-R-G来完成。 CCD是利用曝光时形成的电流强度来表示受到光照的强弱和曝光量的多少的。A/D转换器将电流强度转换为亮度值的信息输出，A/D转换器的采样位数决定了图像亮度值的取值范围，例如：3位的A/D转换器可以表示2的3次方即8个亮度值；8位的采样率则可以组合出0~255的亮度信息。传统胶片扫描影像的动态范围是8bit，航摄数字相机A/D转换器的采样率都大于或者等于14bit，使得彩色波段影像的动态范围大于12bit。所以数字航摄相机的影像色彩更加细腻、可以表示出更丰富的色彩。 CCD感光的过程就是光子冲击感光元件产生信号电荷，并通过CCD上MOS电容进行电荷存储、传输的过程。MOS电容有如排列整齐的若干个小桶，当相机的快门打开时，光子会像雨点一样通过镜头落到CCD表面，让感光点的二氧化硅释放出电子和产生空穴，并且存储于势阱之中。这些势阱的容量，反应了 CCD的光学动态范围，也就是CCD所能感受到最明亮和最微弱光线之间的范围。光学动态范围的公式为：光学动态范围(DR Optical)= 饱和曝光量 / 噪声曝光量(暗电流) 其中饱和曝光量相当于传统胶片的肩部范围，噪声曝光量相当于传统胶片的趾部范围。对于数字相机，光学动态范围就相当于胶片的宽容度概念。相比胶片，CCD通过抑制噪声和控制信噪比的各种技术，可以在更大的曝光范围区间拍摄图像，所以CCD具有更大的宽容度。因此采用CCD传感器的数字航摄相机对飞行气象条件具有更好的适应能力。 图 2－2 因为数字影像像素的亮度值是由单个感光元件接受到光照的曝光量决定的，曝光量越大，亮度值也就越大。所以CCD传感器对曝光量的响应是线性的（见图2－2左）。即CCD产生的数字图像的亮度值和曝光量在任意区间都是成正比的，即便是在出现饱和曝光量或者噪声曝光量的情况下，CCD的设计厂商还可以通过算法技术补偿。而胶片的宽容度没有CCD传感器大，由胶片结构决定的灰雾是去除不掉的。在同样的曝光量区间里，胶片的感光特性曲线则是非线性的（见图2－2右）。因此CCD传感器获得的数字影像可以更真实、准确的反映出图像的亮度信息。与CCD传感器相比，胶片冲洗和扫描对影像质量的影响是至关重要的：各种品牌的不同胶片冲洗需要严格按照各自对应的药剂配方和冲洗方法操作，扫描仪的性能也会影响影像的质量。中间环节的数量越多，信息损失的累积就越大。扫描影像和数字影像的对比参见图2－3，环节的增多造成了信息的损失也多。 （一）航空胶片及CCD成像原理 1、胶片的感光特性和光谱特征当光线照射一个透光体时，透过光量(F)和投射光的总量(Fo)的比值叫做透光率(T)，公式如下： T=F/Fo 透光率的倒数就是阻光率(O)，即 O = 1/T = Fo/F 物体的透光率总是小于1的，因为没有完全透明的物体。而阻光率会很大，如透光率为1%那么阻光率为100。为了方便作图，一般用阻光率的对数作为一个参量，即密度值(D)，公式为： D=lgO 用一句话来描述密度(density)的概念就是“感光材料变黑的程度”。密度数值近似地与产生银或染料的数量成正比，也更符合人眼的响应近似为对数的习惯。以密度值为纵坐标，以10为底的曝光量的对数为横坐标的关系曲线。这种曲线成为H&D曲线，也称为感光特性曲线。感光特性曲线显示了在任意给定时间和特定显影剂的情况下各种曝光度对乳剂的影响。胶片的感光特性曲线如图2－1所示，胶片感光曲线的形状是由胶片曝光的曝光量和感光的密度决定的。感光特性曲线上X方向代表以10为底数的曝光量的对数(lgH)，Y方向代表胶片影像的密度值。 图 2－1 从胶片感光特性曲线可以看出：如果胶片曝光不足，溴化银不分解或者分解出极少量的银盐颗粒，胶片的保护层、透光膜等结构对胶片感光层的影响变大，严重的影响了影像亮度信息的真实性和胶片表现细节的能力。在这一段曝光量范围内，胶片感光产生的会是密度值很小的一段曲线。这段范围的曲线被称作趾部，代表胶片感光曲线的最低部分。相反，如果胶片曝光过度，溴化银分解产生的银盐颗粒过于密集，胶片透光率达到最小，也就是胶片感光后变的很“黑”，也会严重的影响影像亮度信息的真实性和胶片表现细节的能力。在这一段曝光范围内，胶片感光产生的会是密度值很大的一段曲线。这段范围的曲线被称为肩部，代表胶片感光曲线的最高部分。宽容度指的是感光特性曲线上直线部分在X方向上的投影范围，即宽容度定义为感光材料在摄影过程中按正比关系记录景物亮度反差的曝光量范围。对于胶片，这段投影范围没有包括趾部和肩部部分。所以，如果气象条件不理想，光线过暗或者太强，超出了胶片感光的宽容度，势必影响航摄任务的计划和安排。而且，每种胶片都是按照固定的感光度生产的，飞行中如果气象条件发生变化，而变化又超出了胶片的宽容度范围，这种情况下的返工重飞也会带来胶片的浪费和航摄成本费用的增加。 2、CCD的感光特性和光谱特征 CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，意为电荷耦合器件。在数字航摄相机中，CCD传感器的作用相当于航空胶片，它能记录光线的变化，即负责感受镜头捕捉的光线以形成数字图像。与传统胶片相比，CCD更接近于人眼视觉的工作方式。人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应，而CCD可分为如下几个层次：最底层是硅晶体，在这一层衬底上用氧化的方法形成一层厚度为100-150纳米的二氧化硅绝缘层。然后在绝缘层表面，按一定层次蒸镀金属电极或多晶硅，由此形成MOS电容器，或叫光电二极管。 MOS电容器是CCD的基础，一系列排列很紧密的MOS电容器就织成了一块CCD的感应线路。在感应线路之上，通常还覆盖着微镜头层和滤色镜层。微镜头层是用于增强CCD感光层受到的光信号强度；而滤色镜层的作用则使CCD能组合呈现彩色图像。这些滤色镜层网格被发展成具有规则排列的色彩矩阵，由红(R)、绿(G)和蓝(B)滤色片所组成。CCD在红、绿、蓝三基色中对绿色最不敏感，因此一般以G-B-R-G来完成。 CCD是利用曝光时形成的电流强度来表示受到光照的强弱和曝光量的多少的。A/D转换器将电流强度转换为亮度值的信息输出，A/D转换器的采样位数决定了图像亮度值的取值范围，例如：3位的A/D转换器可以表示2的3次方即8个亮度值；8位的采样率则可以组合出0~255的亮度信息。传统胶片扫描影像的动态范围是8bit，航摄数字相机A/D转换器的采样率都大于或者等于14bit，使得彩色波段影像的动态范围大于12bit。所以数字航摄相机的影像色彩更加细腻、可以表示出更丰富的色彩。 CCD感光的过程就是光子冲击感光元件产生信号电荷，并通过CCD上MOS电容进行电荷存储、传输的过程。MOS电容有如排列整齐的若干个小桶，当相机的快门打开时，光子会像雨点一样通过镜头落到CCD表面，让感光点的二氧化硅释放出电子和产生空穴，并且存储于势阱之中。这些势阱的容量，反应了 CCD的光学动态范围，也就是CCD所能感受到最明亮和最微弱光线之间的范围。光学动态范围的公式为：光学动态范围(DR Optical)= 饱和曝光量 / 噪声曝光量(暗电流) 其中饱和曝光量相当于传统胶片的肩部范围，噪声曝光量相当于传统胶片的趾部范围。对于数字相机，光学动态范围就相当于胶片的宽容度概念。相比胶片，CCD通过抑制噪声和控制信噪比的各种技术，可以在更大的曝光范围区间拍摄图像，所以CCD具有更大的宽容度。因此采用CCD传感器的数字航摄相机对飞行气象条件具有更好的适应能力。 图 2－2 因为数字影像像素的亮度值是由单个感光元件接受到光照的曝光量决定的，曝光量越大，亮度值也就越大。所以CCD传感器对曝光量的响应是线性的（见图2－2左）。即CCD产生的数字图像的亮度值和曝光量在任意区间都是成正比的，即便是在出现饱和曝光量或者噪声曝光量的情况下，CCD的设计厂商还可以通过算法技术补偿。而胶片的宽容度没有CCD传感器大，由胶片结构决定的灰雾是去除不掉的。在同样的曝光量区间里，胶片的感光特性曲线则是非线性的（见图2－2右）。因此CCD传感器获得的数字影像可以更真实、准确的反映出图像的亮度信息。与CCD传感器相比，胶片冲洗和扫描对影像质量的影响是至关重要的：各种品牌的不同胶片冲洗需要严格按照各自对应的药剂配方和冲洗方法操作，扫描仪的性能也会影响影像的质量。中间环节的数量越多，信息损失的累积就越大。扫描影像和数字影像的对比参见图2－3，环节的增多造成了信息的损失也多。