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【科普向】摄像头(七)视网膜上的“锥细胞”——排列

专题: 想法 摄影
作者:科普向 来源:原文地址 时间:2022-05-18 16:31:12  阅读:208   网上投稿

在上一期的文章里我们谈到了摄像头的视网膜—CMOS。文章中也提到人们通过在CMOS上覆盖彩色滤光片来区分颜色,这些滤光片可以将射入光的颜色以RGB的模式分解,而这些滤镜的排列方式多种多样。接下来我们就为大家介绍一下这些彩色滤光片的排列方式有哪些。

在过去的时代里,人们一直受限于感光能力的不足而无法制造相机,而在有了感光传感器后,人们便可以制造出记录生活的相机。但是由于感光传感器的原理限制,相机只能感受到光的强度而不能感受到颜色,也就是频率或波段,因此最终人们只能得到一张张黑白照片。

但是已经拥有了相机的现代人,自然渴望让色彩出现在这些照片上面,因此有一种原始的方法出现了。就是通过在每个像素上放置三种滤镜,便可以让三色光透过传感器,从而得到彩色照片。但是这种方法很难实现,而且成本太高。因此,第一种排列方式“拜耳排列”诞生了。

RGGB排列

RGGB排列,即拜耳排列,由柯达公司的工程师Bryce Bayer发明,而拜耳排列也因此得名。这种排列方式,是当我们用CMOS或者CCD作为感光传感器,采集数字图像时常用到的一种方法。

拜耳当时并没有在每个像素上放三个颜色的滤镜,而是选择在图像传感器前面,设置一个集成滤光镜,上面布满了一个个滤光片,与下层的像素一一对应。每个滤光片只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色,这意味着在它下层的像素点只可能有三种颜色:红、绿、蓝,或者什么也没有。这样一来每个像素就都通过这个滤光镜获得了颜色和明暗信息。

不过过程存在一个缺陷,就是在一个像素点上只能获得一种颜色信息,而该位置上的其他颜色信息则会全部损失掉了。而想要得到缺失的颜色信息,就需要根据相邻像素点上的颜色信息使用算法来猜出来,就像下图。

我们在拍摄图片中1的场景时,CMOS所有像素传回来的就是图2,再加上彩色滤光片颜色,就变成了图3。但这明显不是最终的图像,图3到图4的过程,需要一系列算法进行猜色等等来补足。而算法并不能做到100%完全还原颜色,所以这种排列方式会带来无法避免的偏色问题。

RYYB排列

虽然看起来非常独特,但是这种排列方式非常好理解,就是将上文讲到的RGGB里的绿色替换为黄色。

我们知道黄色是由绿色和红色组成的,包含了红色和绿色两种色彩信息,那么通过黄色滤光片的光线信息就同时包含了红色和绿色两种。简单计算一下:

RGGB:25%R+25%G+25%G+25%B=100%

RYYB:25%R+(25%R+25%G)+25B=150%

这样可以得出RYYB的进光量相当于150%的RGGB进光量,因此它在暗光环境下的拍摄能力非常强悍。

(这里要提到一个概念:“满阱容量”,光入射到CMOS后,被光电二极管转换为电子,像水杯装水一样储存,水杯会满,像素也会满。一个像素能接受的最大电子数称为满阱容量。)

因为Y通道的进光量是R和B的两倍,容易造成像素上Y溢出,为了防止溢出就需要减少曝光时间,这样其他两个通道就有可能曝光不足,因此会降低图片的动态范围,可能会让算法猜色错误造成偏色的问题。

3CMOS排列

这是由索尼推出的一种很特殊的排列,而其特殊之处,顾名思义就是区别于前文提到的两种排列都是一个CMOS搭配滤光镜,而3CMOS则是直接使用了三个CMOS。

当光线射入后,被分光镜分为三束,分别被三个CMOS接收,三个CMOS上面分别是红,绿,蓝三色的滤镜。

这种方案几乎不会损失色彩信息,有效分辨率非常高。但是它功耗高,体积大和数据大的特点也注定了他只会出现在专业领域,很少会在民用领域见到。

RGBW排列

12年左右推出的手机用RGBW排列,是将RGGB中一个绿色滤光点变成了白色滤光点,由于RGB三色滤光点,每一个都会过滤掉部分光线,这就降低了亮度,而白色滤光点能让光线能畅通无阻的进入像素内,这就提升了亮度。

RGBW的优势在于提升了照片的亮度,减少了暗光环境下的噪点,同样光照条件下进光量更多。但是少了一个绿色滤光片之后,色彩饱和度、层次感就下降了,这就带来了偏色和伪色的问题。


结语

我们常见的CMOS排列方式大致就是以上这些,在各个厂商的算法和工艺不断更新换代的今天,各种排列的问题也越来越少。本篇的内容也就此告一段落,由于专业知识的限制,文章中可能有纰漏或错误之处,欢迎指正。


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文/EMJOY

责编/同儿睡不着。

审核/M.韦伯

图/网络

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