相机为什么不提供超过3个颜色通道?(或者他们?)


39

当前,大多数(所有?)市售相机都以三种颜色通道捕获光:红色,绿色和蓝色。在我看来,拥有一台具有更大光谱范围和分辨率的相机会非常有用,因此我想知道为什么没有能捕获三个以上色彩通道的相机。

我到底是什么意思

评论(自删除后)中有一些关于我的意思的查询,所以我想给出更好的解释。可见光的波长范围约为390-700nm。在这两个端点之间有无限多个波长,但是眼睛只有三个颜色的感光体,因此区分它们的能力非常有限。这些的响应曲线在下图的(a)中显示。(更大的版本。)这使我们能够根据光的频率看到不同的颜色,因为低频光将对蓝色受体产生更多的影响,而高频光将对红色受体产生更多的影响。

在此处输入图片说明

相机中的数字传感器通过在像素前面放置滤镜来工作,通常有三种类型的滤镜。选择这些响应曲线时应使其与上图(a)尽可能接近,以模仿人眼所见。

但是,从技术上讲,我们没有理由不能添加第四种滤波器类型,例如,峰值在蓝色和绿色之间,如图(b)所示。在下一部分中,我将解释为什么这对照片的后处理很有用,即使它与眼睛可以看到的任何东西都不对应。

如图(c)所示,另一种可能性是在红外线或紫外线中添加其他通道,从而扩展摄像机的光谱范围。(这在技术上可能更具挑战性。)

最后,第三种可能性是更精细地划分频率范围,从而生产出具有高光谱分辨率的相机。在此版本中,通常的RGB通道将必须根据传感器产生的更细粒度的数据以软件构建。

我的问题是,为什么数码单反相机除了(a)之外通常不提供任何其他选项,以及是否有可用的相机提供其他任何选项。(我问的是您用来拍照的相机的类型-我知道有提供这些功能的科学仪器。)

为什么这会有用?

我一直在编辑用我的数码单反相机拍摄的彩色照片中的黑白照片。我发现此过程很有趣,因为在编辑黑白照片时,三个RGB通道仅成为有关场景的数据源。它们表示的实际颜色几乎不相关-蓝色通道很有用,因为场景中的对象在该波长范围内反射的光量不同,并且与人眼所看到的相对应“蓝色”的意义要小得多。

具有三个通道可为控制最终黑白图像不同方面的曝光提供很大的灵活性。在执行此操作时,我想到第四个颜色通道将提供更大的灵活性,因此我想知道为什么不存在这种情况。

出于相同的原因,额外的色彩通道对于彩色摄影以及黑白摄影都是有用的。通过合并代表不同频率范围的光线的不同通道的数据,您将以与现在构建黑白图像相同的方式构建每个RGB通道。对于大多数目的,这可以在软件中自动完成,但是在后处理选项方面它将提供更多的灵活性。

作为一个简单的例子,我们知道植物在近红外中具有很强的反射性。此事实通常用于产生醒目的特殊效果镜头,其中植物看起来是亮白色。但是,如果您在编辑软件中将红外图像作为第四个通道,则可以用于处理彩色图像,例如,通过更改图像中所有植物的曝光,而仅保留较少的红外反射对象。

在的情况下,红外线据我所知,有体力的原因,很难使一个传感器不是 IR敏感,从而使数字传感器通常在他们面前的IR阻挡滤波器。但是应该有可能在可见光范围内制造出具有更高光谱分辨率的传感器,这将带来相同的优势。

有人可能会认为此功能在数字处理时代将不再有用,但是我实际上认为它会在现在出现。数字化功能的局限性取决于可用的数据,因此我可以想象,大量的光谱数据将使没有这些技术就根本不存在的处理技术成为可能。

问题

我想知道为什么这个功能似乎不存在。制造具有四个或更多颜色通道的传感器是否面临巨大的技术挑战,还是更多的原因与对这种功能的需求不足有关?研究是否存在多通道传感器?还是我对它的实用性完全不对?

或者,如果确实存在(或过去存在),则哪些相机提供了它,其主要用途是什么?(我很想看看示例图片!)


嘿,这里有大量的讨论在讨论中,足以触发自动系统。如果您想就问题和/或答案进行讨论,请将其带到我们的聊天室。谢谢。
约翰·卡文

相关(但不同)的问题:为什么我们只对所有波长使用RGB而不是滤光片
Karan Karan

它会有用的是提供更好的选择来解决由某些现代类型的照明设备引起的问题...
rackandboneman

Answers:


32

相机为什么不提供超过3个颜色通道?

生产成本更高(生产一种以上的产品成本更高),并且几乎没有(可销售的)拜耳CFA优势。

(或者他们?)

他们做到了。包括零售相机在内的几款相机都配备了RGBW(RGB +白),RGBE(RGB +翡翠),CYGM(青黄绿色洋红色)或CYYM(青黄黄色洋红色)滤镜。

在我看来,拥有一台具有更大光谱范围和分辨率的相机会非常有用,因此我想知道为什么没有能捕获三个以上色彩通道的相机。

通道数与光谱范围不直接相关。

制造具有四个或更多颜色通道的传感器是否面临巨大的技术挑战,还是更多的原因与对这种功能的需求不足有关?

需求不足是决定性因素。

另外,由于CYYM / CYGM滤波器在转换过程中需要大系数的算术运算,因此会导致颜色噪声增加。但是,以彩色噪声为代价,亮度分辨率会更好。

研究是否存在多通道传感器?还是我对它的实用性完全不对?

您认为在光谱范围越多,通道越多的情况下您就错了,您就在第四个通道为颜色和单调提供了许多有趣的处理技术上了。

或者,如果确实存在(或过去存在),则哪些相机提供了它,其主要用途是什么?

以索尼F828和尼康5700为例,它们和其他少数产品甚至都是二手的。它们是通用相机。


有趣的是,光谱范围不仅受到大多数相机中存在的热镜的限制,而且还受到构成传感器的光电二极管的灵敏度的限制。我不知道在消费类相机中到底使用哪种类型的光电二极管,但这是一个示例图,显示了半导体的局限性:

光敏半导体的比较


关于可用于提取第四个通道的软件:可能是,dcraw但应该对其进行修改和重新编译以仅提取一个通道。

F828有一个4x3矩阵,dcraw.c其中使用了第四通道。这是一个想法:{ 7924,-1910,-777,-8226,15459,2998,-1517,2199,6818,-7242,11401‌​‌​,3481 }-这是线性形式的矩阵,最有可能的第四个值代表翡翠。您将其转换为:({ 0,0,0,8191,0,0,0,0,0,0,0,0 }我不知道应该用什么数字代替8191,要猜测一下),重新编译,输出图像在红色通道中去马赛克后,会得到Emerald通道(如果我正确理解了信号源)。


评论不作进一步讨论;此对话已转移至聊天
约翰·卡文

3
Euri,您对dcraw等的评论中有一些超级有用的信息,现在移到了聊天室。您是否有可能将其编辑为后代答案?
纳撒尼尔(Nathaniel)

16

这位长期光学系统工程师的一些注意事项。首先,有一种叫做“高光谱”相机的东西,它使用光栅或类似物将入射光分成几十个甚至几百个颜色(波长)通道。您可能会想像过,这些本身并没有用于生成彩色照片,也没有用,但是对于区分从特定材料发出或反射的窄带光谱线非常有用。例如,地质学家通过安装在飞机上的高光谱相机,利用这些来识别矿藏。

接下来,每个波长(光子能量)产生的颜色与我们的眼睛所感知的颜色之间存在巨大差异。我们有三个,或者对于某些幸运的人来说,四个不同的锥,每个锥具有不同的光谱响应曲线。您可以在网上找到这些曲线,包括该Wikipedia页面上的第一张图片。接下来,我们感知的颜色/色调范围将覆盖整个地图,而任何单个光子波长产生的颜色将在该地图区域中形成一条线。

任何数量的实验,包括由Edwin Land进行的一些壮观的实验,都表明混合RGB足以使眼睛重建所有可能的视觉颜色。(实际上,事实证明只有两种颜色加上另一种颜色的灰度表示就足够了。大脑中的光学处理确实很奇怪)


11

RGB相机传感器之所以如此受欢迎,是因为它们可以再现人的视觉

那就是大多数人所需要的-制作看起来像我们所看到的照片。

使用更多种不同的滤镜替换RGB子像素以区分具有更好光谱分辨率的更多波段是可行的,但是:

  • 仅用于单一目的。每个人都需要大致相同的RGB滤镜来制作出像样的照片,但是对于某人有用的可能光谱带的数量是无限的。您无法以这种方式制作通用相机。

  • 这会降低传感器的整体灵敏度。每个给定的子像素对所有光都是无效的,除了它接受的窄带。更多的滤镜=浪费更多的光。

因此,与其制造狭窄的专用传感器,不如完全不具有任何内置滤波器的传感器,而在图像采集过程中简单地更换滤波器,则更好。这样,整个传感器区域将与每个滤镜一起使用,而不仅仅是具有匹配子像素的一小部分。


1
严格来说,这不是正确的,三种原色无法提供人类可以看到的所有色相。如果您查看CIE色度图,它看起来像是三角形,但是当您看到里面刻有实用的RGB三角形时,您会发现缺少多少种颜色。蓝绿色区域中的第4个原色将创建一个四边形,其颜色可能多出20%。
Mark Ransom

PS人们对RGB满意的唯一原因是典型色域之外的颜色比RGB能够再现的颜色稀有。
Mark Ransom

1
拜耳滤光器如何不像显示器那样将色彩空间限制为三角形?我认为这个主题没有引起足够的重视。例如,在谈论传感器芯片差异时从未提及过。
Mark Ransom

1
同样的问题也适用于只有三种“过滤器”的人类视网膜-我猜答案是显示和感知是不同的动物!也许,与显示器之间相互争斗的显示器不同,它是如此的无聊和容易,没人会谈论它。
szulat '16

1
@MarkRansom您谈论显示或录制吗?有很大的不同。XYZ空间是一个三刺激空间,它的色度在我命名的图形上具有坐标。这里是图片(外部阴影部分)。
Euri Pinhollow

2

人眼中有三个颜色传感器。它们的光谱轮廓很宽并且重叠。它们各自将神经信号发送到大脑,在大脑中输入被解释为颜色。先前答案中关于大脑发生异常处理的评论是正确的。在这种情况下,对于给定的颜色只需要3个刺激即可。有关详细信息,请参阅Wikipedia上有关色觉的文章。


0

也已经有多光谱照相机,其具有用于IR和UV光的附加通道,但是不作为消费产品。

By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.