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數位相機的彩色照片的成像原理


FUN視覺攝影.為了更好地理解原理,讓我們從照片的起源講起。年,法國人涅普斯(JN?N?),拍出歷史上第一張照片。.他採用的感光劑是氯化銀()。當光線照射氯化銀,後者會分解成純銀和氯氣,純銀在空氣中很快氧化變成黑色...

- 2017年10月21日09時53分
- 科學文摘 / FUN視覺 攝影

FUN視覺 攝影

1.

為了更好地理解原理,讓我們從照片的起源講起。1825年,法國人涅普斯(Joseph Nic?phore Ni?pce),拍出歷史上第一張照片。

2.

他採用的感光劑是氯化銀(silver chloride)。當光線照射氯化銀,後者會分解成純銀和氯氣,純銀在空氣中很快氧化變成黑色。因此,底片顏色越深代表光線越強,顏色越淺代表光線越弱。黑白照片就是這樣拍出來。

3.

19世紀中期,人們發現,人眼的圓錐細胞對三種顏色——紅、綠、藍特別敏感。偉大的英國物理學家麥克斯韋因此假設,紅綠藍作為基色,可以拍出彩色照片。

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1861年,在麥克斯韋的指導下,人類的第一張彩色照片誕生了。

採用的方法是在鏡頭前,分別用紅絲帶、綠絲帶、藍絲帶過濾光線,曝光形成三張底片,然後用三部放映機向同一處投影這三張底片,每部放映機的鏡頭前都擰上對應顏色的鏡頭,它們的合成效果就是一張彩照。

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真正意義上的彩色膠捲,1933年誕生於柯達公司,底片之上依次有三個感光層,分別對紅、綠、藍三種顏色進行曝光,最後疊加形成一張彩色底片。

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二戰後,計算機誕生,科學家發現圖像可以用數字形式表示。如果將光信號轉變成電信號,就可以直接拍出數碼照片。這意味著,照相機不再需要膠捲,而是需要一個圖像傳感器(image sensor)。

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圖像傳感器將光線轉化成電流,光線越亮,電流的數值就越大;光線越暗,電流的數值就越小。所以,如果用0到255的範圍,表示光線的亮度,最亮的光線是白光,數值是十六進位的FF,最暗的光線是黑光(沒有光),數值是十六進位的00。

8.

圖像傳感器的表面,分成若干個捕捉點,每個點都會產生一個數值,表示該點感受到的光線亮度,這就叫做"像素"。像素越多,圖像細節就越豐富。如果一台相機的像素是1600?1200,就說明圖像傳感器橫向有1600個捕捉點,縱向有1200個,合計192萬個。

9.

但是,圖像傳感器有一個很嚴重的缺陷:它只能感受光的強弱,無法感受光的波長。由於光的顏色由波長決定,所以圖像傳播器無法記錄顏色,也就是說,它只能拍黑白照片,這肯定是不能接受的。

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一種解決方案是照相機內置三個圖像傳感器,分別記錄紅、綠、藍三種顏色,然後再將這三個值合併。這種方法能產生最準確的顏色信息,但是成本太高,無法投入實用(編者註:早期的專業級數碼攝影機多採用此技術)。

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1974年,柯達公司的工程師布賴斯?拜爾提出了一個全新方案,只用一塊圖像傳感器,就解決了顏色的識別。他的做法是在圖像傳感器前面,設置一個濾光層(Color filter array),上面布滿了濾光點,與下層的像素一一對應。也就是說,如果傳感器是1600?1200像素,那麼它的上層就有1600?1200個濾光點。

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每個濾光點只能通過紅、綠、藍之中的一種顏色,這意味著在它下層的像素點只可能有四種顏色:紅、綠、藍、黑(表示沒有任何光通過)。

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不同顏色的濾光點的排列是有規律的:每個綠點的四周,分布著2個紅點、2個藍點、4個綠點。這意味著,整體上,綠點的數量是其他兩種顏色點的兩倍。這是因為研究顯示人眼對綠色最敏感,所以濾光層的綠點最多。

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接下來的問題就是,如果一個像素只可能有四種顏色,那麼怎麼能拍出彩色照片呢?這就是布賴斯?拜爾聰明的地方,前面說了,每個濾光點周圍有規律地分布其他顏色的濾光點,那麼就有可能結合它們的值,判斷出光線本來的顏色。以黃光為例,它由紅光和綠光混合而成,那麼通過濾光層以後,紅點和綠點下面的像素都會有值,但是藍點下面的像素沒有值,因此看一個像素周圍的顏色分布有紅色和綠色,但是沒有藍色-就可以推測出來這個像素點的本來顏色應該是黃色。

15.

這種計算顏色的方法,就叫做"去馬賽克"(demosaicing)。上圖的下半部分是圖像傳感器生成的"馬賽克"圖像,所有的像素只有紅、綠、藍、黑四種顏色;上半部分是"去馬賽克"後的效果,這是用算法處理的結果。

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雖然,每個像素的顏色都是算出來的,並不是真正的值,但是由於計算的結果相當準確,因此這種做法得到廣泛應用。目前,絕大部分的數位相機都採用它,來生成彩色數碼照片。高級的數位相機,還提供未經算法處理的原始馬賽克圖像,這就是raw格式(raw image format)。

為了紀念發明者布賴斯?拜爾,它被稱作"拜爾模式"或"拜爾濾光法" (Bayer filter)。


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