为什么主流传感器不使用CYM滤镜而不是RGB?


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据我了解,大多数数码相机都有一个传感器,其中每个像素传感器都有三个子传感器,每个子传感器都带有R,G和B滤镜。RGB显然是更基本的颜色模型,因为它直接与人眼中的受体(锥体)相对应。

但是,RGB滤镜必须切掉三分之二的白光才能获得其成分。如果将滤镜改为CYM滤镜,而每个滤镜仅滤除三分之一的光线,那么照相机肯定会受益于更短的曝光时间吗?由于CYM数据点可以轻松转换为RGB数据点,因此相机的处理器仍可以以用户希望的任何格式保存图像。

我知道这有时是在天文摄影中完成的,其中使用CYM滤镜拍摄了三张单独的黑白照片。

我只是错了,实际上这是已经完成的工作-还是有充分的理由使用RGB传感器?


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在长时间曝光的天文摄影中,这是主要关注的少数几个问题之一,一种常见的方法是使用纯单色传感器,并将(相对)短曝光时间与红色,绿色和蓝色滤光片结合起来,使用更长的时间间隔为图像着色,其中不使用任何滤镜来最大化最终结果中的细节。
丹·尼利

Answers:


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首先,有一点背景知识可以消除您的一些误会。

绝大多数彩色数码相机都具有拜耳滤镜,该滤镜用红,绿或蓝滤色镜掩盖每个像素。¹RAW数据不包含任何颜色信息,而仅包含每个像素的亮度值。

但是,RGB滤镜必须切掉三分之二的白光才能获得其成分。

并不是的。有很多绿色的光使其通过“红色”和“蓝色”滤镜。有很多“红色”光和很多“蓝色”光使其通过“绿色”滤光片。有一些“蓝色”光使其通过红色滤镜,反之亦然。“绿色”和“红色”滤光片所居中的波长彼此非常接近,“红色”通常在580nm至600nm之间,在“黄橙色”区域中比“红色”区域中的波长更多。典型的拜耳阵列中滤光片的“峰值”与我们描述为“红色”,“绿色”和“蓝色”的波长不对齐。

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因此,从某种意义上说,我们的相机与RGB一样,实际上是YGV(黄绿紫)。我们的色彩再现系统(显示器,打印机,轮转印刷机等)是RGB,CMYK或其他颜色组合。

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这模仿了人眼,其中我们的“红色”视锥细胞的中心位于565nm左右,这是一种绿色的黄色,而我们的“绿色”视锥细胞的中心位于540nm左右,这是绿色的,其中仅混入了黄色。有关人类视觉系统和我们的相机如何在电磁辐射光谱中我们称之为“光”的部分中创造“颜色”的更多信息,请参见:为什么红色,绿色和蓝色是光的原色?

滤色器之间没有硬性截止,例如科学仪器上使用的滤光器只能让很窄的波长带通过。这更像是我们在黑白胶片上使用的滤色片。如果我们在B&W胶片上使用红色滤镜,则所有绿色物体都不会消失或看起来完全是黑色的,就像硬截断一样。相反,绿色物体看起来比实际场景中同样亮的红色物体看起来更暗的灰色阴影。

就像人眼一样,几乎所有拜耳滤镜都包含的“绿色”像素是“红色”或“蓝色”像素的两倍。换句话说,每隔一个像素用“绿色”遮盖,其余一半在“红色”和“蓝色”之间分割。因此,一个20MP的传感器将具有大约10M的绿色,5M的红色和5M的蓝色像素。当相机的处理单元解释每个像素的亮度值时,用不同颜色遮罩的相邻像素之间的差异将用于插值红色,绿色和蓝色值(实际上对应于480、530和640纳米左右的某个位置)对于每个像素。另外,每种颜色的权重都大致等于人眼的灵敏度,因此“红色”

将每个像素的单色亮度值转换为每个像素的内插RGB值的过程称为去马赛克。由于大多数相机制造商使用专有算法来执行此操作,因此使用第三方RAW转换器(如Adobe Camera RAW或DxO Optics)将产生与使用制造商自己的RAW转换器略有不同的结果。有些传感器类型(例如Foveon)确实具有三个彼此叠置的色敏层。但是制造商声称这样的传感器具有彼此堆叠的三个15MP层,是45MP传感器。实际上,这种布置产生的细节量与大约30MP的传统拜耳掩模传感器相同。Foveon型传感器的问题,至少到目前为止,在弱光环境下的噪声性能较差。

那么,为什么大多数数码相机都不使用CYM滤镜而不是RGB¹滤镜?主要原因是色彩精度,这是人类对不同波长的光的感知所定义的。使用CYM遮罩时,使用相邻像素的值准确地内插颜色值比使用“ RGB”遮罩时要困难得多。¹因此,您放弃了一点光敏度以提高色彩精度。毕竟,大多数最高级别的商业摄影都是通过可控的照明(例如,很容易添加光的人像摄影棚)或通过三脚架(允许更长的曝光时间来收集更多的光)完成的。专业摄影师的需求是推动技术发展的关键,然后才将技术运用于消费级产品。

¹除了大多数拜耳(Bayer)遮罩的“ RGB”相机的三种滤色镜外,它们的确是“蓝色-带紫色”,“绿色带黄色”和“黄色带绿色”之间的相似之处(模仿人眼最多)和“带有大量橙色的黄色”(对于CMOS传感器来说似乎更容易实现)。


感谢您提供拜耳过滤器的信息。作为生活在一个阴暗,光线昏暗的国家的人,我总是会针对灵敏度进行优化,但是我理解色彩准确性的观点。好答案!
罗宾(Robin)

您的阴暗,光线昏暗的国家没有电和灯泡吗?:-)
Michael C

我们是世界上闭路电视收视率最高的国家,所以我猜有些摄像机可以工作。至于灯泡……我更喜欢利用太阳的光辉力量。
罗宾(Robin)2013年

即使是太阳的光辉力量,有时也需要使用反射镜将光线投射到对象的阴影侧。一年当中的一半时间,太阳都“睡着了”,无论您在地球上的哪个位置。
Michael C

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已制成青色品红色黄色传感器,以及红色,绿色青色和其他一些变体。

主要问题是,即使使用RGB传感器,每种染料的光谱响应之间也存在明显的重叠,即“绿色”像素在一定程度上对红色和蓝色光敏感。这意味着结果需要复杂的计算才能获得准确的颜色,相邻的红色和蓝色像素的相对响应用于判断绿色响应中有多少实际上是红色和蓝色光的结果。

使用CMY时,问题会更加严重。您实际上是在以光效率为代价来换取色彩准确性。这对于不总是具有清晰色彩边界的天文摄影可能是不错的选择,因此可以通过模糊来减少色彩噪点,但不适用于风景摄影或时装摄影。


在RGB芯片中,滤光片的确切选择因制造商而异。例如佳能使用弱反应性强的染料以追求低光性能,但是为了使使用佳能相机的体育和新闻摄影师大军受益,所使用的特定染料也被调整为在荧光灯下能够识别出鲜明的色彩。

另一方面,索尼使用A900试图通过提供非常高的色彩精度来打入专业时尚市场。调整用于中等格式数字底面的彩色滤光片阵列,以提供令人愉悦(尽管不一定准确)的肤色。


相机尝试通过使用强切像素和弱切像素的混合物来尝试达到某种类似于眼睛的性能,可能还会改变像素大小,以便在照明条件下使用较小的强染像素是否在收集有意义的数据以用于产生饱和色,而在较低的光照条件下,较弱染色的像素将提供更清晰的亮度通道,而使用自适应滤波来消除色度中的噪声?
超级猫

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“主要的问题是,即使使用RGB传感器,每种染料的光谱响应之间也存在明显的重叠……”如果每个滤光片完全阻挡了其他滤光片所允许的任何频率的光,那将是一个更大的问题。人类视觉对“颜色”的整个感知是由于我们视网膜中视锥细胞对各种频率的光的响应方式相互重叠。在各种波长的光本身中,没有隐含的颜色,只有在我们三色视觉对光的感知中,视网膜中的S,M和L视锥细胞有重叠的响应。
Michael C

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相机制造商选择RGBG Bayer阵列的原因可能与专利, 可用性成本有关,而不是与颜色“准确性”有关。原则上,任何三种适当的“正交”(可以说)颜色(可以说是颜色)都应该适合于颜色还原。使用更先进的传感器和处理器,应该会更加容易。

我怀疑RGB vs CMY颜色准确性的说法,因为RGB和CMYK之间的转换一直在进行打印。同样,在进行白平衡之前,原始文件中去马赛克的颜色与实际所需的颜色几乎没有差别。如果颜色真的很“准确”,那么摄影师将不必花费太多时间对照片进行色彩校正。

Fujifilm的各种传感器实验(Super CCD,EXR CMOS,X-Trans)证明,仅仅因为其他人都以某种特殊方式做某事,并不意味着它一定是最好的方式。柯达还尝试了不同的颜色阵列,但是他们在营销其技术和专利方面做得并不出色。

尼康Coolpix 5700,大约是2002年的5mp相机,似乎是最后一批使用CYGM颜色阵列的相机。 数码摄影评论(强调)

图像质量出色,具有出色的矩阵测光,良好的色调平衡和色彩(准确而生动的色彩,不会散发色彩)以及高于平均的分辨率。紫色条纹下降了,但图像的整体外观仍然非常“ Coolpix”。噪声水平很好,特别是与其他五百万像素的数码相机相比时(与我们与Minolta DiMAGE 7i的比较表明)。

我们了解了一些图像质量细节;桶形失真,高光修剪和拜耳伪影并不是影响每天拍摄的问题,并且不会破坏您对5700图像质量的整体享受。

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