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1、色彩還原
絕大多數(shù)的感光元件能夠識(shí)別的是亮度信息， 那么怎么能夠得到彩色的圖像呢。 目前主要有
兩種類型的感光元件，一種是廣泛應(yīng)用的馬賽克形式的感光元件，另一種是 Foveon公司的
專利產(chǎn)品，X3技術(shù)的感光元件，兩者的原理不同。
對(duì)于一個(gè)彩色的主體， 灰度圖像感應(yīng)器只能紀(jì)錄如圖這樣的黑白圖像， 你根本得不到彩色圖
像。那么我們?cè)鯓硬拍苡没叶葓D像感應(yīng)器捕捉到彩色的圖像呢？
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柯達(dá)的工程師提出了一種解決方案，這就是 Bayer Pattern （柯達(dá)的Bay
2、er博士在80年代發(fā)
明了這種全新的彩色濾鏡陣列構(gòu)造后背，因此命名為 Bayer Pattern，除此以外也有其他不
同的 Pattern ）。
馬賽克式感光元件
像素表面霍蓋著嬉色片
濾色片只允許單一波 長的紅綠藍(lán)色光通過
叢終得到的圖像，50%的綠
色信息和各2 5%的紅藍(lán)信息
首先大家可以注意到，總共有 50%的綠色，而紅色和藍(lán)色各占 25%。這樣做的原因是人眼
對(duì)綠色更敏感，能分辨出更多的細(xì)節(jié)。你觀察一下周圍的環(huán)境就會(huì)發(fā)現(xiàn)這并不奇怪， 另外綠
色也占據(jù)了可見光譜中最重要和最寬的位置。
現(xiàn)在我們的灰度感光元件得到的是經(jīng)過彩色濾鏡過濾的灰度值。圖像由彩色的馬賽
3、克構(gòu)成。
但我們想得到的是每個(gè)像素都記錄了全部的色彩信息的圖像， 而不是這樣的馬賽克效果， 那
么就需要一個(gè)軟件來進(jìn)行 Bayer Pattern Demosaicing （ 去馬賽克）或者叫做彩色插值。那些
丟失掉的色彩信息經(jīng)過對(duì)相鄰像素的色彩信息分析之后被重新估算出來。
下圖顯示了插值的過程
紅恒通道2瀏 綠色通道甜％ 藍(lán)色通道鬲％ 組合圖像
插值后的紅色通道插值后的綠色通道插值后的藍(lán)色通道 最終圖像
而Foveon公司的采用X3技術(shù)的感光元件與銀鹽彩色膠片相似，由三層感光元素垂直疊在 一起。同等像素的X3圖像感光器比傳統(tǒng) CCD要銳利，提供更豐富的彩色還原度
4、以及避免采 用Bayer Pattern傳統(tǒng)感光器所特有的色彩干擾。另外，由于每個(gè)像素提供完整的三原色信 息，把色彩信號(hào)組合成圖像文件的過程簡單很多， 降低了對(duì)圖像處理的計(jì)算要求。 硅片對(duì)光
線的吸收與光譜和硅片深度有關(guān)。 其中藍(lán)色光在離硅片表面 0.2微米開始被吸收，綠色光在
離硅片表面0.6微米被吸收，紅色光在離硅片表面 2微米被吸收。這種光線吸收個(gè)性于銀鹽 彩色膠片的感色涂層是相同的。
Foveon X3芯片
■SmSiESS
X3茜片上每一個(gè)像素 都具有三層感進(jìn)層
入射的紅綠藍(lán)光在 不同的深度被吸收
最終得到全就的色彩信息 無需插值
對(duì)于馬賽克類型感光元件，彩色插值
5、（去馬賽克）算法的好壞非常重要，既要解析細(xì)節(jié)還要 仍能正確還原顏色。 對(duì)于某些情況，比如拍攝一個(gè)十分小的黑白相間的檢驗(yàn)圖樣， 黑白圖樣
小到什么程度呢，小到大小剛剛能覆蓋住每一個(gè)像素單元。
OBJECT
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那么問題就出現(xiàn)了，因?yàn)猷徑木G色像素單元不會(huì)給算法提供任何新的信息， 所以算法就不
知道感應(yīng)白色的紅色像素單元紅到什么程度， 同理也不知道鄰近的藍(lán)色像素單元藍(lán)到什么程
度（其實(shí)都應(yīng)該紅到或者藍(lán)到最淡，因?yàn)槭前咨?。相反，F(xiàn)oveon的X3感光元件因?yàn)槊恳?個(gè)像素單元都能夠同時(shí)感應(yīng)紅、綠、藍(lán)三色，所以能夠正確的還原白色和黑色。如果物體只 由紅色和藍(lán)色組成，由于綠色像素不能提供任何額外的信息， 所以Bayer感應(yīng)器捕獲的圖像
7、分辨率將降低。對(duì)于波長范圍非常窄的單色紅 /藍(lán)，綠色感光元素將得不到任何信息，但這
樣的物體在實(shí)際生活中非常罕見。 實(shí)際上，就算感光元件捕獲的是十分明亮飽和的紅色， 仍
然存在綠色和很少量的藍(lán)色信息。我們上面舉的例子中的問題在于， 正確估算顏色需要一定
量的空間信息。如果只有唯一一個(gè)像素單元捕獲紅色信息， 那么就沒有辦法重新構(gòu)建出這個(gè)
特定像素單元的顏色。
以下是一個(gè)Bayer模式感光元件與X3芯片在特殊情況下的成像對(duì)比
Bayer CFA Foveon X3
8、
Bayer CFA Foveon X3
Bayer CFA Foveon X3
那么在實(shí)際情況中，用這兩者芯片得到的結(jié)果將如下
Bayer X3
理論結(jié)果
Bayer X3
實(shí)際結(jié)果
為了防止或者減輕這種失真，絕大多數(shù)相機(jī)都采用了在感光元件前面安裝低通濾鏡的方法
(AA Filter, Anti-Aliasing Filter )。
SUBJECT
WHITE
BLACK
WHITE
COLOR
FILTER
ARRAY
CGO ARRAY RESPONSE
FINAL IMAGE
9、
RED
CLACK
BLUE
BLACK
WIDE WHITE FEATURE
BLACK
SUBJECT
BLACK
NARROW WHITE
FEATURE
BLACK
figure 2. c olo r inteipre tati o n errors at^e possible with lateral co lor filter sensois
COLOR
BLUR FILTER CCD HNAL
FILTER AARAY RESPONSE IMAGE
fig
10、ure 3. blur filters can simpress color artifacts in lateral color filter images
這個(gè)濾鏡實(shí)際上起到了模糊影像， 把色彩信息分布到鄰近像素單元的作用。 如大家所知，模
糊和圖像質(zhì)量之間實(shí)際上是一對(duì)矛盾， 如何平衡Blurring和Aliasing是對(duì)相機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)挑
戰(zhàn)。最終的圖像通常還需要進(jìn)行較強(qiáng)的銳化，來獲得原本的銳度。某種程度上， AA濾鏡降
低了感光元件的有效分辨率。
X3芯片直接感知三原色信息，最終通過
不管是馬賽克類型的感光元件通過彩色插值，還是 加色或者減色的方式，得以還原整個(gè)圖像的色彩。
下一個(gè)話題--感光元件類型
1.2數(shù)碼影像漫談之二(色彩還原)
