淺談攝像機(jī)如何獲得彩色圖像的？

引言

我們每天能看到多種色彩，對(duì)于傳感器來說（不管是CCD還是CMOS），它們只能看到光強(qiáng)。當(dāng)然，他們能識(shí)別從近紫外到紅外之間大部分光的光強(qiáng)。為了讓圖像傳感器更好的輸出能讓人類接受的圖片，科學(xué)家和工程師們想出了多種方法。

1彩色成像的原理

不管是CCD還是CMOS，它們只能接受光強(qiáng)，不能識(shí)別光的波長(zhǎng)。

CCD和CMOS對(duì)近紫外200nm至可見光380-780nm直至近紅外1100nm波長(zhǎng)范圍都有相應(yīng)。這使得如果直接用CCD和CMOS，輸出的只能是灰度圖像。

為了得到我們?nèi)搜鬯?xí)慣的彩色圖像，人們采用了兩種方法：拜耳陣列（Bayer filter）方案和三種傳感器疊加的方案。

無色彩的灰度圖像

圖片來自互聯(lián)網(wǎng)

2拜耳陣列方案

柯達(dá)的Bryce Bayer于是想出了這種方式來解決彩色分辨的問題：通過在傳感器前添加一個(gè)下圖這樣的RGB濾波陣列，使得每個(gè)濾光點(diǎn)只能透射一種顏色，并使各個(gè)顏色的濾光點(diǎn)與下層像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。

拜耳陣列原理

圖片來自互聯(lián)網(wǎng)

拜耳陣列方案

通過上面這樣的方式，可以將上面無色彩的灰度圖像處理得到下圖所示的紅綠藍(lán)強(qiáng)度圖，但是還是不能得到我們想要的圖像。

接下來就是進(jìn)行猜色，也就是根據(jù)一個(gè)像素點(diǎn)及其周圍的紅綠藍(lán)各自的灰度值，經(jīng)插值算出該像素點(diǎn)的RGB。插值算法很多，最簡(jiǎn)單就是將臨近像素的色彩值賦給該像素，也可以將鄰域的該顏色灰度值平均后賦給該像素點(diǎn)，算法很多，具體算法查閱拜耳濾鏡插值。插值后對(duì)應(yīng)每個(gè)像素點(diǎn)的RGB都知道了。

處理后的紅綠藍(lán)強(qiáng)度圖

建議關(guān)閉聲音，背景音比較嘈雜

插值 猜色最終的效果

建議關(guān)閉聲音，背景音比較嘈雜

拜耳陣列方案

最后是一些拜爾陣列的變種方案，上述紅綠藍(lán)的濾光片比例是11，因此也稱RGBG。

RGBE是用一個(gè)祖母綠的濾光片代替綠色；據(jù)說更接近人眼的感覺；CYYM是用青色、黃色、品紅 11代替RGB；CYGM是青色、黃色、綠色、品紅1：1：1：1；CYGM和CYYM這兩種都是為了提高光通量，但犧牲了色彩準(zhǔn)確度。簡(jiǎn)單解釋下，比如品紅=紅+藍(lán)，也就是只阻擋綠光；黃色=紅+綠，只阻擋藍(lán)光；青色=綠+藍(lán)，只阻擋紅光，相比RGB而言對(duì)白光的吸收變少了，可以提高光通量，代價(jià)是色彩不好確定。

RGBW是用白色取代綠色，提高進(jìn)光量，損失了一部分顏色信息。適合暗環(huán)境拍攝，降低噪點(diǎn)。RGBW#1~3是非馬賽克方式的其他排列模式。X-Trans是為減小莫爾條紋的發(fā)生，采取不太規(guī)則的濾鏡排列方式，且加大綠色感光面積，提高分辨率和色彩飽滿度。

3三種傳感器疊加的方案

另一種方案的成本稍微高一些，但是可以克服單芯片攝像機(jī)的圖像失真問題。

這種方案采用分光器或者棱鏡將通過鏡頭的光線被分為三束光然后到達(dá)三個(gè)傳感器。每個(gè)傳感器件前有一個(gè)不同的濾光片。這種相機(jī)被稱為三芯片相機(jī)。

拜耳陣列方案

這種結(jié)構(gòu)顯然可以克服單芯片攝像機(jī)的圖像失真問題。但同時(shí)意味著需要三個(gè)傳感器。而且需要考慮到三個(gè)傳感器的位置需要仔細(xì)調(diào)整，這顯然是一件非常精密的工作。因此，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本大大增加。

編輯：jq