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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)碼相機系統(tǒng)中，圖像感應(yīng)器都是通過捕捉亮度信息和色彩信息來記錄圖像。本期就來講一下圖像感應(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?；焐珵榧臃ɑ旌?，即疊加越多顏色越亮。如同太陽光是七色光混合成的白光，RGB三色光以最強數(shù)值混合出來就是白色光，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，因為像素本身的基礎(chǔ)功能是光電轉(zhuǎn)換，就是把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，記錄的是光的強度，并不能識別色彩。所以為了記錄色彩，辦法就是每個像素上扣一個帶顏色的帽子，即覆蓋R（紅色）、G（綠色）或B（藍色）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)明者柯達公司的布萊斯·拜耳（Bryce Bayer）命名?？紤]到人眼對綠色最為敏感，綠色信息豐富人眼會覺得分辨率高，所以拜耳陣列為一紅一藍加兩綠四個像素構(gòu)成一個單位。

拜耳列陣的像素排列

2-拜耳陣列很難解決的問題

如上圖所示，每四個像素一起看時，R G B像素右上和左下為綠色，另外兩個分別為藍色和紅色，并且是矩陣的規(guī)則排列。這也是通常所說的拜耳式。這種規(guī)則的排列方式下，拍攝一般的自然物沒有什么問題，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，就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，令所拍圖像產(chǎn)生本來不應(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輕微模糊圖像細節(jié)部分以避免規(guī)則紋樣的細小部分產(chǎn)生摩爾紋。這樣雖然能夠抑制摩爾紋，但會損失圖像銳度以及立體感的表現(xiàn)。數(shù)碼相機到底需不需要用低通濾鏡可以說是一個常年被探討的話題。

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時將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節(jié)畫質(zhì)的同時，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)勢在于讀取色彩信息的同時，可以全像素捕捉亮度信息。因為沒有拜耳陣列相鄰像素相互補間的問題，F(xiàn)oveon幾乎不會出現(xiàn)偽色彩。早在2002年，有無低通濾鏡這一話題還未進入人們視野的年代，適馬的SD9就沒有加低通濾鏡?？梢哉fFoveon在立體感的表現(xiàn)、畫面銳度等畫質(zhì)方面帶來了很多利好。

三色垂直分層

但Foveon也有目前很難解決的問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。在其他廠商的相機實用感光度最少也有ISO 25600，甚至到ISO 40000的情況下，基于Foveon的相機感光度實用范圍可能只到ISO 6400。對于普通用戶來說，應(yīng)對暗光環(huán)境就不是很方便。

不要“綠帽”的華為

華為為提高智能手機拍攝時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，但目前包括智能手機、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。下一期我們會介紹到背照式的相關(guān)內(nèi)容。