1.2数码影像漫谈之二(色彩还原)

色彩还原绝大多数的感光元件能够识别的是亮度信息，那么怎么能够得到彩色的图像呢。 目前主要有两种类型的感光元件，一种是广泛应用的马赛克形式的感光元件，另一种是Foveon公司的专利产品，X3技术的感光元件，两者的原理不同。对于一个彩色的主体， 灰度图像感应器只能纪录如图这样的黑白图像，你根本得不到彩色图像。那么我们怎样才能用灰度图像感应器捕捉到彩色的图像呢？*r* ji “ *事事 d柯达的工程师提出了一种解决方案，这就是Bayer Pattern （柯达的Bayer博士在80年代发明了这种全新的彩色滤镜阵列构造后背，因此命名为Bayer Pattern，除此以外也有其他不同的 Pattern ）。马赛克式感光元件像素表面霍盖着嬉色片滤色片只允许单一波 长的红绿蓝色光通过叢终得到的图像，50%的绿色信息和各2 5%的红蓝信息首先大家可以注意到，总共有50%的绿色，而红色和蓝色各占25%。这样做的原因是人眼对绿色更敏感，能分辨出更多的细节。你观察一下周围的环境就会发现这并不奇怪，另外绿色也占据了可见光谱中最重要和最宽的位置。现在我们的灰度感光元件得到的是经过彩色滤镜过滤的灰度值。图像由彩色的马赛克构成。但我们想得到的是每个像素都记录了全部的色彩信息的图像，而不是这样的马赛克效果，那么就需要一个软件来进行Bayer Pattern Demosaicing （去马赛克）或者叫做彩色插值。那些丢失掉的色彩信息经过对相邻像素的色彩信息分析之后被重新估算出来。下图显示了插值的过程红恒通道2瀏绿色通道甜蓝色通道鬲组合图像插值后的红色通道插值后的绿色通道插值后的蓝色通道最终图像而Foveon公司的采用X3技术的感光元件与银盐彩色胶片相似，由三层感光元素垂直叠在 一起。同等像素的X3图像感光器比传统 CCD要锐利，提供更丰富的彩色还原度以及避免采 用Bayer Pattern传统感光器所特有的色彩干扰。另外，由于每个像素提供完整的三原色信 息，把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多，降低了对图像处理的计算要求。硅片对光线的吸收与光谱和硅片深度有关。其中蓝色光在离硅片表面0.2微米开始被吸收，绿色光在离硅片表面0.6微米被吸收，红色光在离硅片表面 2微米被吸收。这种光线吸收个性于银盐 彩色胶片的感色涂层是相同的。Foveon X3芯片SmSiESSX3茜片上每一个像素 都具有三层感进层入射的红绿蓝光在 不同的深度被吸收最终得到全就的色彩信息 无需插值对于马赛克类型感光元件，彩色插值（去马赛克）算法的好坏非常重要，既要解析细节还要 仍能正确还原颜色。 对于某些情况，比如拍摄一个十分小的黑白相间的检验图样，黑白图样小到什么程度呢，小到大小刚刚能覆盖住每一个像素单元。OBJECTcnzgnOCDpimkl irMGLHUTEWHITE*IWBUCX&LUECCD7 eulurwiUh cotur 山uotpWiitliMSi EirtfSU6UECTGIVELAvtflSRCCfJ-.rNS 1 l/rLAYtWRED 純时IMi WVER4WHliTBLACKSHIITExJ scfisor with no iilor ioitc；rp创皿祁川 errorsPiNAI. 吨GEWHITEChUMCWHITE那么问题就出现了，因为邻近的绿色像素单元不会给算法提供任何新的信息，所以算法就不知道感应白色的红色像素单元红到什么程度，同理也不知道邻近的蓝色像素单元蓝到什么程度（其实都应该红到或者蓝到最淡，因为是白色） 。相反，Foveon的X3感光元件因为每一 个像素单元都能够同时感应红、绿、蓝三色，所以能够正确的还原白色和黑色。如果物体只 由红色和蓝色组成，由于绿色像素不能提供任何额外的信息，所以Bayer感应器捕获的图像分辨率将降低。对于波长范围非常窄的单色红/蓝，绿色感光元素将得不到任何信息，但这样的物体在实际生活中非常罕见。实际上，就算感光元件捕获的是十分明亮饱和的红色，仍然存在绿色和很少量的蓝色信息。我们上面举的例子中的问题在于，正确估算颜色需要一定量的空间信息。如果只有唯一一个像素单元捕获红色信息，那么就没有办法重新构建出这个特定像素单元的颜色。以下是一个Bayer模式感光元件与X3芯片在特殊情况下的成像对比Bayer CFAFoveon X3Bayer CFAFoveon X3Bayer CFAFoveon X3那么在实际情况中，用这两者芯片得到的结果将如下BayerX3理论结果BayerX3实际结果为了防止或者减轻这种失真，绝大多数相机都采用了在感光元件前面安装低通滤镜的方法(AA Filter, Anti-Aliasing Filter )。SUBJECTWHITEBLACKWHITECOLORFILTERARRAYCGO ARRAY RESPONSEFINAL IMAGEREDCLACKBLUEBLACKWIDE WHITE FEATUREBLACKSUBJECTBLACKNARROW WHITEFEATUREBLACKfigure 2. c olo r inteipre tati o n errors ate possible with lateral co lor filter sensoisCOLORBLURFILTER CCDHNALFILTERAARAY RESPONSEIMAGEfigure 3. blur filters can simpress color artifacts in lateral color filter images这个滤镜实际上起到了模糊影像，把色彩信息分布到邻近像素单元的作用。如大家所知，模糊和图像质量之间实际上是一对矛盾，如何平衡Blurring和Aliasing是对相机设计的一个挑战。最终的图像通常还需要进行较强的锐化，来获得原本的锐度。某种程度上，AA滤镜降低了感光元件的有效分辨率。X3芯片直接感知三原色信息，最终通过不管是马赛克类型的感光元件通过彩色插值，还是 加色或者减色的方式，得以还原整个图像的色彩。下一个话题-感光元件类型