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色光三原色

图像感应器如何记录颜色

上一篇中我们讲解了图像感应器的发展历史，随着技术的发展，如今CMOS图像感应器已经成为主流，广泛被数码相机所采用，并且这几年还不断有技术革新。那么不管是CMOS还是CCD，数码相机系统中，图像感应器都是通过捕捉亮度信息和色彩信息来记录图像。本期就来讲一下图像感应器如何捕捉色彩。

RGB的色光三原色

RGB——色光三原色

图像感应器是光电转换的电子元件，它捕捉色彩的原理其实跟液晶电视以及电脑显示器的显色原理差不多，都是基于RGB的色光三原色。R（红色）、G（绿色）及B（蓝色）这三种色光按不同的配比混合，可以再现出我们人眼所见的绝大多数颜色。混色为加法混合，即叠加越多颜色越亮。如同太阳光是七色光混合成的白光，RGB三色光以最强数值混合出来就是白色光，反之三色如果数值都为零则为黑色。

拜耳爷爷发明的RGB阵列于1976年申请了专利

数码影像系统最基本的色彩阵列

1-多一顶“绿帽”的RGB

具体到我们的图像感应器，因为像素本身的基础功能是光电转换，就是把光信号转换为电信号，记录的是光的强度，并不能识别色彩。所以为了记录色彩，办法就是每个像素上扣一个带颜色的帽子，即覆盖R（红色）、G（绿色）或B（蓝色）的滤镜，滤掉其他色的光，仅捕捉RGB其中一种色光并记录其强度。

而RGB像素的排列组合方式和电脑显示器比有较大不同。现在最主流的是被称为“拜耳阵列”的排列方式。这一排列方式以发明者柯达公司的布莱斯·拜耳（Bryce Bayer）命名。考虑到人眼对绿色最为敏感，绿色信息丰富人眼会觉得分辨率高，所以拜耳阵列为一红一蓝加两绿四个像素构成一个单位。

拜耳列阵的像素排列

2-拜耳阵列很难解决的问题

如上图所示，每四个像素一起看时，R G B像素右上和左下为绿色，另外两个分别为蓝色和红色，并且是矩阵的规则排列。这也是通常所说的拜耳式。这种规则的排列方式下，拍摄一般的自然物没有什么问题，但如果拍摄同样规则排列的人工物，比如有规则纹理的织布、建筑物上规则的砖瓦等，就会产生干涉现象，令所拍图像产生本来不应该有的摩尔纹。且如果所拍被摄体并不含RGB中某一颜色，还会容易出现伪色彩。

而图像感应器加的低通滤镜就是通过轻微模糊图像细节部分以避免规则纹样的细小部分产生摩尔纹。这样虽然能够抑制摩尔纹，但会损失图像锐度以及立体感的表现。数码相机到底需不需要用低通滤镜可以说是一个常年被探讨的话题。

图像感应器

打乱帽子章法的富士

早在CCD时代，富士就推出了蜂巢式的Super CCD。Super CCD基于富士制造胶片的传统经验及技术积累，以胶片感光粒子不规则排列的概念为基础，将原本四方形的像素设计为类似于蜂巢的八边形，并且不是横平竖直的矩阵排列而是倾斜45度排列。这样能提升图像信息量，将图像感应器的分辨率提升至约1.4倍。这种蜂巢式的排列方式在当时将CCD的成像画质提升到了新的高度。

蜂巢式的Super CCD

而初代X-TRANS CMOS的像素雖然是四方形，但排列方式为6×6个一组，确保每行每列都有包含RGB的像素，这样就很大程度抑制了伪色彩的产生，也一定程度抑制了摩尔纹。这样在去除低通滤镜提高细节画质的同时，尽力降低了数码影像中的伪色彩和摩尔纹。

X-TRANS CMOS

帽子多层衬布的适马

适马在RGB排列方面不走寻常路，采用了Foveon图像感应器。这种感应器摒弃了RGB像素在一个平面上排列的方式，而采用RGB三色垂直分层的构成方式。

这种结构的优势在于读取色彩信息的同时，可以全像素捕捉亮度信息。因为没有拜耳阵列相邻像素相互补间的问题，Foveon几乎不会出现伪色彩。早在2002年，有无低通滤镜这一话题还未进入人们视野的年代，适马的SD9就没有加低通滤镜。可以说Foveon在立体感的表现、画面锐度等画质方面带来了很多利好。

三色垂直分层

但Foveon也有目前很难解决的问题就是高感光度性能。在低感光度下虽然画质感人，但高感性能是它的短板。在其他厂商的相机实用感光度最少也有ISO 25600，甚至到ISO 40000的情况下，基于Foveon的相机感光度实用范围可能只到ISO 6400。对于普通用户来说，应对暗光环境就不是很方便。

不要“绿帽”的华为

华为为提高智能手机拍摄时的感光度性能出奇招，将拜耳阵列的RGB改为RYYB。由此可提升40%的亮度信息捕捉，大幅提升高感光度性能。虽然这一新构思在高感方面有其优势，但目前包括智能手机、液晶电视、电脑显示在内的所有显示设备几乎都是RGB显色。所以捕捉到的RYYB信息还是要经过某种算法转换为RGB信息。

华为的RYYB阵列用黄色像素代替绿色

虽然各大厂商都有创新和尝试，但目前拜耳阵列还是图像感应器的主流。图像感应器基于拜耳阵列的排列方式，在提高画质方面还做了很多其他有意义的尝试。下一期我们会介绍到背照式的相关内容。