新專利讓普通圖像傳感器性能超越適馬Foveon X3

　　前言：色彩濾鏡的發(fā)明大大降低了照相攝像設備的成本，簡化了結構，為照相設備的普及帶來了積極的作用，但是由于色彩濾鏡的帶來的畫質損失，也讓消費者倍感苦惱。現在新公布的色彩濾鏡專利號稱解析度可以接近分層記錄的適馬Foveon X3，同時對比拜爾濾鏡技術的相機感光性能翻倍。

　　一、色彩濾鏡的進化

　　1973年拜爾陣列首個單芯片彩色解決方案，首次在單個感光元件上實現彩色影像的記錄。

　　雖然采用單CCD的傳感器的解決方案效果上不如3CCD，但是由于結構大幅簡化，成本降低使得單CCD產品在市場上勝過了3CCD。

　　2012年富士X-trans，色彩濾鏡四十年來首次成功的改變;減少摩爾紋，并通過去除低通濾鏡，提高了解析度。

　　2015年RGBW結構色彩濾鏡，增加無色彩濾鏡像素，改進了高感光性能。

　　RGBW方式的色彩濾鏡去掉了拜爾陣列每個子單元的一個綠色像素的濾鏡，采用了無色濾鏡，讓所有顏色的光都可以照射到感光元件上，增加了感光元件的光敏感性。

　　二、新一代孤島式的色彩濾鏡解析

　　近期披露的一個新專利(申請?zhí)枺?01510076603.4)給傳統(tǒng)的單層感光元件帶來了新的活力，第一次讓單層感光元件有了超越分層記錄感光元件的可能。

　　這種新式濾鏡原理是基于人眼視網膜結構，現代醫(yī)學的進步讓人類了解到了人眼記錄信息的模式。人眼視網膜中有兩種感光細胞，分別是視桿細胞和視錐細胞;其中視桿細胞只能識別亮度信息，視錐細胞有三種類型，使之可以分辨色彩;而記錄色彩的細胞數量只有記錄亮度細胞的二十分之一。

　　而這些感受色彩信息的視錐細胞零星分散在視桿細胞中，所以人眼對高分辨率色彩的感知并不如明暗信息這樣敏感。比如人眼可以看清黑白的的小字，但換成彩色的人眼就力不從心了，簡單的說就是人眼對高分辨率彩色信息的識別能力不高，而對黑白影像信息非常敏感。

　　在了解了人眼的工作機理后，你會發(fā)現視網膜中感受色彩的細胞只有幾百萬，而感受亮度的細胞卻有1.2億?；谶@個原理，重新改進的色彩濾鏡僅有少部分像素覆蓋色彩濾鏡，大部分像素采用透明濾鏡。那么少量采樣的色彩信息能否滿足挑剔的人眼呢?

　　實際上這個原理早有應用，人們常用的圖像以及視頻的儲存方式無論是模擬還是數字，壓縮方式均是有損壓縮，而損失掉的信息則正是色彩信息。

　　三、傳統(tǒng)色彩濾鏡的缺憾

　　通過下面的試驗了解一下拜爾濾鏡對圖像解析度的影響：

　　這張照片是無忌網友去掉了相機cmos中心區(qū)域部分色彩濾鏡后的樣子，實際拍照效果如下：

　　可以看到部分去掉色彩濾鏡后中央的亮度明顯有了一個提升，再看看細節(jié);

　　這是通過mono算法后的圖像，可以看到左側去掉色彩濾鏡的部分解析度要高于右側覆蓋色彩濾鏡的部分。

　　通過這個實驗得到以下結論：

　　1、為了獲取彩色圖像，色彩濾鏡降低了圖像傳感器的感光性。

　　2、為了獲取彩色圖像，色彩濾鏡同時降低了圖像的解析度。

　　四、新色彩濾鏡模擬演示

　　透過色彩濾鏡的光進入感光元件(CCD或CMOS)得到的數據只是灰度數據，如果用算法來區(qū)分三基色會得到下面的圖像，可以看到拜爾陣列就像用放大鏡觀察顯示器

　　柵格化明顯，相同顏色像素的分離導致解析度下降，而新式濾鏡雖然大部分區(qū)域沒有色彩，但正是由于沒有色彩濾鏡的干擾使解析度非常高。

　　原始圖像經過算法處理后，左側拜爾濾鏡馬賽克算法處理后色彩豐富，但是解析度較差。

　　而右側新濾鏡中雖然對色彩采樣的比例大大低于傳統(tǒng)的拜爾濾鏡，但是由于人眼視網膜的特殊結構，人們并不能區(qū)別兩幅圖像色彩分辨率的差異，而受益于黑白解析度的提高。這種濾鏡的解析度遠超拜爾陣列的效果，接近適馬X3傳感器的表現。

　　新式色彩濾鏡優(yōu)勢總結：

　　• 通過上面的演示，可以發(fā)現連續(xù)的黑白像素可以帶來更高的解析力，圖像的分辨率雖然沒有提升，但最終影像卻有類似適馬Foveon X3一樣的高解析力表現。

　　• 色彩濾鏡的作用就是濾除光譜中大部分光只讓一定光譜范圍的光進入感光元件，這樣就帶來了大量的損失，2/3的光并不能進入傳感器而被白白浪費了。而反觀新式色彩濾鏡，由于90%的像素并沒有覆蓋色彩濾鏡，所以整體的感光性能大幅提升。

　　附錄1

　　如有疑問可以郵件聯系作者：zljwws@126.com

　　附錄2

　　上面的演示是用沒有色彩濾鏡的相機，和有色彩濾鏡的相機拍攝同一幅畫面。得到兩張照片，依據上述新的色彩濾鏡，提取彩色圖像10%的像素和黑白影像90%的像素模擬新式色彩濾鏡的效果。

　　演示用到的兩臺徠卡相機，萊卡的黑白相機M-MONOCHROME ，這個相機沒有色彩濾鏡，不能顯示色彩，只能拍黑白影像，其他所有的參數均和萊卡M9-P一致。

　　同樣的全畫幅ccd，同樣的1850萬像素的分辨率，采用同樣的鏡頭拍攝。

　　上述照片來自新攝影徠卡M-Monochrom短評及樣張評測中的照片素材：

　　http://dc.nphoto.net/news/2012-08/31/5be2307352a984932.shtml

　　拜爾濾鏡下的照片和無色彩濾鏡的照片細節(jié)差距：

　　雖然像素數量相同，但是拜爾濾鏡用去馬賽克算法處理過的圖像明顯更加模糊，而無色彩濾鏡的萊卡M-Monochrome雖然沒有顏色，但是更清晰。

　　究其原理，是由于彩色圖像每個像素都含有紅綠藍三基色信息，而顯示每個像素也需要三個子像素。

　　其中每個像素包含三個子像素

　　而拜爾色彩濾鏡每個像素只有一種顏色，要確定每個像素的顏色都需要借助附近像素的色彩信息才能完成，這就是說拜爾陣列相機每個像素只相當于一個真正像素的子像素。而一個1850萬像素的彩色照片需要5550萬個子像素信息，這也就是為什么1850萬像素的彩色影像比黑白影像模糊的原因。