原理
黑白（單色）相機
ccd原理並不複雜。我們可以把它想象成乙個頂部被開啟的記憶晶元。因此光束可以射到記憶單元中。根據"光電效應」，這些光束在記憶單元中產生負電荷（下圖中右上部分）。
你可以說ccd晶元將光子轉換為電子，在這一過程當中，光子數目與電子數目互成比例。但光子還有另外乙個特徵值——波長，而這條資訊卻沒有在這個過程中被轉換為電子。因此，從這個意義上說，ccd晶元都可以被稱為色盲。
如果我們需要相機內的影象處理單元在每個畫素上都輸出紅、綠和藍三種顏色分量的值，就必須給這三種基色中的每種顏色都配置乙個ccd。每個ccd都只得到過濾後乙個顏色分量的光子，即乙個ccd用於紅光，乙個用於綠光，乙個用於藍光。我們用三稜鏡將這三種顏色分離開來。
這個簡單的解決方法在實際應用中可以得到非常理想的效果。但它有乙個重要的缺點——**昂貴。因此人們早已開始研發基於乙個ccd的設計理念彩色相機。下節將介紹最常用的一種。
單ccd彩色相機
如果考慮到**因素，我們只能使用乙個ccd晶元，那麼我們就得把彩色濾光片象馬賽克一樣分布在ccd所有的畫素上。這一概念也被稱為馬賽克濾光片或拜爾濾光片（最初由拜爾先生發明）。
這樣一來，每個畫素只能產生紅、綠或藍三色當中一種顏色的值。但是在輸出時，所有畫素都應該有這三種顏色的資訊。我們應該如何找回其餘兩種被濾除的顏色分量值呢？
答案是由相機處理單元執行的空間色彩插值法。以下圖中左下角的紅色畫素為例，我們需要的是被濾除的綠色與藍色的值。而插值法通過分析與這個紅色畫素相鄰的像 素可以估算出這兩個值。在本例中，我們發現綠色畫素含有大量電荷，但藍色畫素電荷數為零。因此這個紅色畫素實際上是黃色的。在稍後的色彩插值一節中您將可以了解到有關色彩插值的詳細資訊。
如果對3ccd相機生成的3幅數字原始影象與單ccd相機生成的3幅數字始影象進行比較，我們會發現它們看起來完全相同。但這僅僅對我們這個簡化的例子是成立的。在實際應用中，即使最好的彩色空間插值法也會產生低通效應。因此，單ccd相機生成的影象要比3ccd相機或黑白相機的影象模糊，這點在影象中有超薄或纖維形物體的情況下尤為明顯。
用於成像與測量的單ccd相機
這一方法的顯著優點在於它能節省成本。此外，今天的單ccd相機的質量也驚人的好。因此，絕大多數彩色相機都採用此項技術。
測量在以測量為目的影象應用領域，色彩插值法有重大的缺點：
? 每個畫素都具有紅、綠和藍的色彩值，但這三個值中只有乙個真正來自ccd。其它兩個值都由插值法計算而得，即估算值。
? 這些估算值不但干擾測量過程本身，而且它們對於匯流排及計算機而言都會增加不必要的負載。
在影象測量應用領域，我們認為將色彩插值關閉並把從ccd獲得的電荷直接轉換為數字原始影象更為有利。
需要提醒讀者注意的是：現在大多數彩色影象處理軟體都預設每個畫素都有紅色、綠色和藍色值。處理數字原始影象對於我們當中的大多數而言都還比較陌生。因此，我們在色彩插值一節中更詳細地介紹處理數字原始影象的基本原理。
色彩插值（用於成像）
概述在原理一節中，我們通過乙個例子介紹了色彩插值的原理。為了讓該例簡單明瞭，三幅生成的影象（數字原始影象的三色被分離後的影象）都是理想化的。
下面我們將詳細介紹兩種簡單的插值處理。一開始我們將使用在用於成像與測量的單ccd相機（測量）一節中介紹過的數字原始影象。為了簡單起見，該數字原始影象、它的源圖及拜爾濾光片都被列於下圖。
複製臨近畫素法
填補缺失的色彩值的最簡單方法就是從臨近畫素中獲取色彩值。讓我們以第二行第乙個綠色畫素（來自拜爾濾光片）為例（如下圖中被加粗黑框之畫素所示）。
我們可以對「複製插值法」作出的第乙個改進就是使用若干臨近畫素的均值。如圖所示，這種方法同樣可以得到正確的rgb值（255，0，0）。
但第二個例子指出了均值法的乙個重大缺陷：均值法有低通特性，並由此將清晰的邊界鈍化。rgb值本應是（255，0，0），但實際上變成了（255，128，64），因此該點變成了棕橙色。
今天相機中所使用的插值法的效能要大大高於前面介紹的這兩種基本方法。a study of spatial color interpolation algorithms for single-detector digital cameras一文 對這些演算法做了很好的介紹和比較。
一般情況下現場工程師不大可能選擇或改變乙個普通彩色相機的插值法。為了提供給使用者更大的靈活性，the imaging source提供一系列不帶插值處理功能的彩色相機，如1394相機中的 dbk 21f04, dbk 21af04, dbk 21bf04, dbk 31af03, dbk 31bf03, dbk 41af02和dbk 41bf02，以及usb2.0相機中的 dbk 21au04, dbk 21bu04, dbk 31au03, dbk 31bu03, dbk 41au02 及 dbk 41bu02。它們尤其適用於需要自行處理原始影象資料的使用者。
色彩還原（用於測量）
概述在用於成像與測量的單ccd相機一節中，我們了解到經過插值處理的影象並不適用於以測量為目的的實際應用。其原因可以通過下圖中的例子予以解釋。
源影象由色彩及其相近的兩個區域組成。左半邊畫素的rgb值為（0，255，128），右半邊的畫素值為（0，255，144）。
對經過插值處理的影象進行還原處理
上圖顯示了我們對源影象進行插值處理後的結果。為了簡化運算，我們使用在色彩插值一節中介紹過的均值插值法（雙線性插值法）。結果得到紅、綠、藍三色的三幅影象。
柱狀圖是一種區分影象區域的經典方法。如右圖所示，紅色分量圖只有64個灰度級為0的值，而綠色分量圖中只有64個灰度級為255的值。因此，這兩幅圖對於區分不同區域起不到任何作用。
只有藍色分量柱狀圖顯示出乙個介於32個128值與24個144值之間的「谷值」。8個灰度級為136的值就是色彩插值低通效應的結果。這一效應使得原本清晰的邊界變得模糊。
對數字原始影象進行還原處理
直接對數字原始影象進行柱狀圖分析有如下兩點優勢：
? 可以省去佔總量三分之二的冗餘資訊。
? 由於沒有使用插值處理，諸如邊界模糊之類的干擾得以避免。
三幅柱狀圖再次表明紅色和綠色圖對於我們的分析沒有意義。藍色柱狀圖則再次準確的反映了源影象的關係。
也許會有人反對說，均值插值法（雙線性插值法）今天已不再被應用，因為人們已經開始使用比它高效得多的演算法。但效率應與成像質量優化問題聯絡在一起考慮，而且其中起評判標準的作用的是人類的視覺系統。所以如果從測量應用的角度出發，高效的插值法會在影象還原時導致不同型別的干擾。
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