新專利讓普通圖像傳感器性能超越適馬Foveon X3

　　前言：色彩濾鏡的發(fā)明大大降低了照相攝像設(shè)備的成本，簡化了結(jié)構(gòu)，為照相設(shè)備的普及帶來了積極的作用，但是由于色彩濾鏡的帶來的畫質(zhì)損失，也讓消費(fèi)者倍感苦惱?，F(xiàn)在新公布的色彩濾鏡專利號稱解析度可以接近分層記錄的適馬Foveon X3，同時(shí)對比拜爾濾鏡技術(shù)的相機(jī)感光性能翻倍。

　　一、色彩濾鏡的進(jìn)化

　　1973年拜爾陣列首個單芯片彩色解決方案，首次在單個感光元件上實(shí)現(xiàn)彩色影像的記錄。

　　雖然采用單CCD的傳感器的解決方案效果上不如3CCD，但是由于結(jié)構(gòu)大幅簡化，成本降低使得單CCD產(chǎn)品在市場上勝過了3CCD。

　　2012年富士X-trans，色彩濾鏡四十年來首次成功的改變;減少摩爾紋，并通過去除低通濾鏡，提高了解析度。

　　2015年RGBW結(jié)構(gòu)色彩濾鏡，增加無色彩濾鏡像素，改進(jìn)了高感光性能。

　　RGBW方式的色彩濾鏡去掉了拜爾陣列每個子單元的一個綠色像素的濾鏡，采用了無色濾鏡，讓所有顏色的光都可以照射到感光元件上，增加了感光元件的光敏感性。

　　二、新一代孤島式的色彩濾鏡解析

　　近期披露的一個新專利(申請?zhí)枺?01510076603.4)給傳統(tǒng)的單層感光元件帶來了新的活力，第一次讓單層感光元件有了超越分層記錄感光元件的可能。

　　這種新式濾鏡原理是基于人眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步讓人類了解到了人眼記錄信息的模式。人眼視網(wǎng)膜中有兩種感光細(xì)胞，分別是視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞;其中視桿細(xì)胞只能識別亮度信息，視錐細(xì)胞有三種類型，使之可以分辨色彩;而記錄色彩的細(xì)胞數(shù)量只有記錄亮度細(xì)胞的二十分之一。

　　而這些感受色彩信息的視錐細(xì)胞零星分散在視桿細(xì)胞中，所以人眼對高分辨率色彩的感知并不如明暗信息這樣敏感。比如人眼可以看清黑白的的小字，但換成彩色的人眼就力不從心了，簡單的說就是人眼對高分辨率彩色信息的識別能力不高，而對黑白影像信息非常敏感。

　　在了解了人眼的工作機(jī)理后，你會發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜中感受色彩的細(xì)胞只有幾百萬，而感受亮度的細(xì)胞卻有1.2億?；谶@個原理，重新改進(jìn)的色彩濾鏡僅有少部分像素覆蓋色彩濾鏡，大部分像素采用透明濾鏡。那么少量采樣的色彩信息能否滿足挑剔的人眼呢?

　　實(shí)際上這個原理早有應(yīng)用，人們常用的圖像以及視頻的儲存方式無論是模擬還是數(shù)字，壓縮方式均是有損壓縮，而損失掉的信息則正是色彩信息。

　　三、傳統(tǒng)色彩濾鏡的缺憾

　　通過下面的試驗(yàn)了解一下拜爾濾鏡對圖像解析度的影響：

　　這張照片是無忌網(wǎng)友去掉了相機(jī)cmos中心區(qū)域部分色彩濾鏡后的樣子，實(shí)際拍照效果如下：

　　可以看到部分去掉色彩濾鏡后中央的亮度明顯有了一個提升，再看看細(xì)節(jié);

　　這是通過mono算法后的圖像，可以看到左側(cè)去掉色彩濾鏡的部分解析度要高于右側(cè)覆蓋色彩濾鏡的部分。

　　通過這個實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

　　1、為了獲取彩色圖像，色彩濾鏡降低了圖像傳感器的感光性。

　　2、為了獲取彩色圖像，色彩濾鏡同時(shí)降低了圖像的解析度。

　　四、新色彩濾鏡模擬演示

　　透過色彩濾鏡的光進(jìn)入感光元件(CCD或CMOS)得到的數(shù)據(jù)只是灰度數(shù)據(jù)，如果用算法來區(qū)分三基色會得到下面的圖像，可以看到拜爾陣列就像用放大鏡觀察顯示器

　　柵格化明顯，相同顏色像素的分離導(dǎo)致解析度下降，而新式濾鏡雖然大部分區(qū)域沒有色彩，但正是由于沒有色彩濾鏡的干擾使解析度非常高。

　　原始圖像經(jīng)過算法處理后，左側(cè)拜爾濾鏡馬賽克算法處理后色彩豐富，但是解析度較差。

　　而右側(cè)新濾鏡中雖然對色彩采樣的比例大大低于傳統(tǒng)的拜爾濾鏡，但是由于人眼視網(wǎng)膜的特殊結(jié)構(gòu)，人們并不能區(qū)別兩幅圖像色彩分辨率的差異，而受益于黑白解析度的提高。這種濾鏡的解析度遠(yuǎn)超拜爾陣列的效果，接近適馬X3傳感器的表現(xiàn)。

　　新式色彩濾鏡優(yōu)勢總結(jié)：

　　• 通過上面的演示，可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)的黑白像素可以帶來更高的解析力，圖像的分辨率雖然沒有提升，但最終影像卻有類似適馬Foveon X3一樣的高解析力表現(xiàn)。

　　• 色彩濾鏡的作用就是濾除光譜中大部分光只讓一定光譜范圍的光進(jìn)入感光元件，這樣就帶來了大量的損失，2/3的光并不能進(jìn)入傳感器而被白白浪費(fèi)了。而反觀新式色彩濾鏡，由于90%的像素并沒有覆蓋色彩濾鏡，所以整體的感光性能大幅提升。

　　附錄1

　　如有疑問可以郵件聯(lián)系作者：zljwws@126.com

　　附錄2

　　上面的演示是用沒有色彩濾鏡的相機(jī)，和有色彩濾鏡的相機(jī)拍攝同一幅畫面。得到兩張照片，依據(jù)上述新的色彩濾鏡，提取彩色圖像10%的像素和黑白影像90%的像素模擬新式色彩濾鏡的效果。

　　演示用到的兩臺徠卡相機(jī)，萊卡的黑白相機(jī)M-MONOCHROME ，這個相機(jī)沒有色彩濾鏡，不能顯示色彩，只能拍黑白影像，其他所有的參數(shù)均和萊卡M9-P一致。

　　同樣的全畫幅ccd，同樣的1850萬像素的分辨率，采用同樣的鏡頭拍攝。

　　上述照片來自新攝影徠卡M-Monochrom短評及樣張?jiān)u測中的照片素材：

　　http://dc.nphoto.net/news/2012-08/31/5be2307352a984932.shtml

　　拜爾濾鏡下的照片和無色彩濾鏡的照片細(xì)節(jié)差距：

　　雖然像素?cái)?shù)量相同，但是拜爾濾鏡用去馬賽克算法處理過的圖像明顯更加模糊，而無色彩濾鏡的萊卡M-Monochrome雖然沒有顏色，但是更清晰。

　　究其原理，是由于彩色圖像每個像素都含有紅綠藍(lán)三基色信息，而顯示每個像素也需要三個子像素。

　　其中每個像素包含三個子像素

　　而拜爾色彩濾鏡每個像素只有一種顏色，要確定每個像素的顏色都需要借助附近像素的色彩信息才能完成，這就是說拜爾陣列相機(jī)每個像素只相當(dāng)于一個真正像素的子像素。而一個1850萬像素的彩色照片需要5550萬個子像素信息，這也就是為什么1850萬像素的彩色影像比黑白影像模糊的原因。