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色光三原色

圖像感應(yīng)器如何記錄顏色

上一篇中我們講解了圖像感應(yīng)器的發(fā)展歷史，隨著技術(shù)的發(fā)展，如今CMOS圖像感應(yīng)器已經(jīng)成為主流，廣泛被數(shù)碼相機(jī)所采用，并且這幾年還不斷有技術(shù)革新。那么不管是CMOS還是CCD，數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)中，圖像感應(yīng)器都是通過(guò)捕捉亮度信息和色彩信息來(lái)記錄圖像。本期就來(lái)講一下圖像感應(yīng)器如何捕捉色彩。

RGB的色光三原色

RGB——色光三原色

圖像感應(yīng)器是光電轉(zhuǎn)換的電子元件，它捕捉色彩的原理其實(shí)跟液晶電視以及電腦顯示器的顯色原理差不多，都是基于RGB的色光三原色。R（紅色）、G（綠色）及B（藍(lán)色）這三種色光按不同的配比混合，可以再現(xiàn)出我們?nèi)搜鬯姷慕^大多數(shù)顏色。混色為加法混合，即疊加越多顏色越亮。如同太陽(yáng)光是七色光混合成的白光，RGB三色光以最強(qiáng)數(shù)值混合出來(lái)就是白色光，反之三色如果數(shù)值都為零則為黑色。

拜耳爺爺發(fā)明的RGB陣列于1976年申請(qǐng)了專利

數(shù)碼影像系統(tǒng)最基本的色彩陣列

1-多一頂“綠帽”的RGB

具體到我們的圖像感應(yīng)器，因?yàn)橄袼乇旧淼幕A(chǔ)功能是光電轉(zhuǎn)換，就是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，記錄的是光的強(qiáng)度，并不能識(shí)別色彩。所以為了記錄色彩，辦法就是每個(gè)像素上扣一個(gè)帶顏色的帽子，即覆蓋R（紅色）、G（綠色）或B（藍(lán)色）的濾鏡，濾掉其他色的光，僅捕捉RGB其中一種色光并記錄其強(qiáng)度。

而RGB像素的排列組合方式和電腦顯示器比有較大不同?，F(xiàn)在最主流的是被稱為“拜耳陣列”的排列方式。這一排列方式以發(fā)明者柯達(dá)公司的布萊斯·拜耳（Bryce Bayer）命名?？紤]到人眼對(duì)綠色最為敏感，綠色信息豐富人眼會(huì)覺得分辨率高，所以拜耳陣列為一紅一藍(lán)加兩綠四個(gè)像素構(gòu)成一個(gè)單位。

拜耳列陣的像素排列

2-拜耳陣列很難解決的問(wèn)題

如上圖所示，每四個(gè)像素一起看時(shí)，R G B像素右上和左下為綠色，另外兩個(gè)分別為藍(lán)色和紅色，并且是矩陣的規(guī)則排列。這也是通常所說(shuō)的拜耳式。這種規(guī)則的排列方式下，拍攝一般的自然物沒(méi)有什么問(wèn)題，但如果拍攝同樣規(guī)則排列的人工物，比如有規(guī)則紋理的織布、建筑物上規(guī)則的磚瓦等，就會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，令所拍圖像產(chǎn)生本來(lái)不應(yīng)該有的摩爾紋。且如果所拍被攝體并不含RGB中某一顏色，還會(huì)容易出現(xiàn)偽色彩。

而圖像感應(yīng)器加的低通濾鏡就是通過(guò)輕微模糊圖像細(xì)節(jié)部分以避免規(guī)則紋樣的細(xì)小部分產(chǎn)生摩爾紋。這樣雖然能夠抑制摩爾紋，但會(huì)損失圖像銳度以及立體感的表現(xiàn)。數(shù)碼相機(jī)到底需不需要用低通濾鏡可以說(shuō)是一個(gè)常年被探討的話題。

圖像感應(yīng)器

打亂帽子章法的富士

早在CCD時(shí)代，富士就推出了蜂巢式的Super CCD。Super CCD基于富士制造膠片的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累，以膠片感光粒子不規(guī)則排列的概念為基礎(chǔ)，將原本四方形的像素設(shè)計(jì)為類似于蜂巢的八邊形，并且不是橫平豎直的矩陣排列而是傾斜45度排列。這樣能提升圖像信息量，將圖像感應(yīng)器的分辨率提升至約1.4倍。這種蜂巢式的排列方式在當(dāng)時(shí)將CCD的成像畫質(zhì)提升到了新的高度。

蜂巢式的Super CCD

而初代X-TRANS CMOS的像素雖然是四方形，但排列方式為6×6個(gè)一組，確保每行每列都有包含RGB的像素，這樣就很大程度抑制了偽色彩的產(chǎn)生，也一定程度抑制了摩爾紋。這樣在去除低通濾鏡提高細(xì)節(jié)畫質(zhì)的同時(shí)，盡力降低了數(shù)碼影像中的偽色彩和摩爾紋。

X-TRANS CMOS

帽子多層襯布的適馬

適馬在RGB排列方面不走尋常路，采用了Foveon圖像感應(yīng)器。這種感應(yīng)器摒棄了RGB像素在一個(gè)平面上排列的方式，而采用RGB三色垂直分層的構(gòu)成方式。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于讀取色彩信息的同時(shí)，可以全像素捕捉亮度信息。因?yàn)闆](méi)有拜耳陣列相鄰像素相互補(bǔ)間的問(wèn)題，F(xiàn)oveon幾乎不會(huì)出現(xiàn)偽色彩。早在2002年，有無(wú)低通濾鏡這一話題還未進(jìn)入人們視野的年代，適馬的SD9就沒(méi)有加低通濾鏡?？梢哉f(shuō)Foveon在立體感的表現(xiàn)、畫面銳度等畫質(zhì)方面帶來(lái)了很多利好。

三色垂直分層

但Foveon也有目前很難解決的問(wèn)題就是高感光度性能。在低感光度下雖然畫質(zhì)感人，但高感性能是它的短板。在其他廠商的相機(jī)實(shí)用感光度最少也有ISO 25600，甚至到ISO 40000的情況下，基于Foveon的相機(jī)感光度實(shí)用范圍可能只到ISO 6400。對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)，應(yīng)對(duì)暗光環(huán)境就不是很方便。

不要“綠帽”的華為

華為為提高智能手機(jī)拍攝時(shí)的感光度性能出奇招，將拜耳陣列的RGB改為RYYB。由此可提升40%的亮度信息捕捉，大幅提升高感光度性能。雖然這一新構(gòu)思在高感方面有其優(yōu)勢(shì)，但目前包括智能手機(jī)、液晶電視、電腦顯示在內(nèi)的所有顯示設(shè)備幾乎都是RGB顯色。所以捕捉到的RYYB信息還是要經(jīng)過(guò)某種算法轉(zhuǎn)換為RGB信息。

華為的RYYB陣列用黃色像素代替綠色

雖然各大廠商都有創(chuàng)新和嘗試，但目前拜耳陣列還是圖像感應(yīng)器的主流。圖像感應(yīng)器基于拜耳陣列的排列方式，在提高畫質(zhì)方面還做了很多其他有意義的嘗試。下一期我們會(huì)介紹到背照式的相關(guān)內(nèi)容。