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高速攝像機色彩獲取原理

? ? ? ?圖像傳感器僅記錄灰度表從純白到純黑的系列色調。根本上來說，它們僅捕獲亮度。灰度表是由從純白到純黑之間的一系列不同深度的灰色調組成。只能記錄不同灰度的傳感器是在感光陣列的像素單元上使用不同的彩色濾光鏡，以分離出拍攝物體所反射的光線顏色。

? ? ? ?根據光的波動說，單一波長的光稱為單色光。從人們可以區別各種不同顏色這樣一個事實出發，似乎可以假定視網膜上也存在著許多不同類型的錐狀體，每一類型的錐狀體只“諧振”于某一特定顏色。如果錐狀體果真有這樣的單色響應，那么某一彩色感覺只能由相應波長的電磁能引起，然而，事實卻不完全如此。照射到某一視網膜上的單色光并不是引起該彩色的唯一因素。例如，有幾種單色黃光可以由射到視網膜上的紅光和綠光配出來。幾乎所有的顏色都能由三種基本彩色混配起來，這三種彩色就叫做三基色。國際照明委員會（CIE）選擇紅色（λ＝700.00ｎｍ）、綠色（λ＝546.1ｎｍ）和藍色（λ＝435.8ｎｍ）三種單色光作為表色系統的三基色。所有顏色都可以用互相獨立的三基色混合得到。照片中的顏色通常基于紅、綠、藍三原色，它稱為添加顏色系統，因為該三種顏色以相同量合成時，呈現的顏色為白色，這個系統用在顯示屏幕上（或人眼上）合成各種各樣的顏色。大部分傳感器上的濾光鏡為紅色、綠色和藍色（RGB），但有些高級的相機使用青色、紅紫色和黃色（CMYK）濾光鏡。在整個像素單元上安放濾光鏡，濾光鏡僅能捕捉到三種顏色中的一種。濾鏡上不同的顏色按Ｇ－Ｒ－Ｇ－Ｂ（綠－紅－綠－藍）的順序像馬賽克一樣排列，使每一片“馬賽克”下的像素感應不同的顏色。

? ? ? ?數字攝像機傳感器上的每個像元包含一個光敏二極管，用來測量光的強度，因為光電二極管為單色器件，不能分出不同波長的光。因此，mosaic格式的彩色濾波器（CFA）放置在傳感器上以確定紅、綠、藍光的成分，CFA普遍應用的是GRGB Bayer格式。

? ? ? ?這是把濾波器永久地放置在各個像元上，把感應器分成多種紅、綠、藍像素，從每個相鄰的像元中可獲得足夠的信息，可精確估計該點的真彩色值，這種利用相鄰像元和有根據估計處理方法稱作插值法。

? ? ? ?普通濾波器的結構為Bayer濾波器結構，如圖所示。這種結構是一列紅和綠濾波器與一列藍和綠濾波器相互交替布置。這些像元并沒有均勻分開，事實上，綠色像元的數量是藍色和紅色像元數量的總和，這是因為人的眼睛對這三種顏色的靈敏度不一致。獲取更多的綠色信息是很必要的，目的是建立的圖像使人的眼睛感覺到是“真彩色”。

? ? ? ?這種方法的優點是僅有一個感應器，所有的顏色信息（紅、藍、綠）在同時刻記錄，這就意味著攝像機體積小、便宜，并在很多場合得到應用。另外，就有可能制造買得起的手持式數字式攝像機。帶有Bayer濾波器的感應器原始輸出為不同亮度的紅、綠和藍像素的馬賽克（mosaic）圖像。

? ? ? ?數字攝像機采用了特殊的解馬賽克運算法則，不同顏色的馬賽克轉換為相同大小的真彩色馬賽克。由于相近的像元具有不同的濾波器，在記錄數據的過程中從每個像元獲得信號，并以最接近它的相同顏色點作平均，對中間點進行估算，即把紅色、綠色和藍色濾光鏡直接放在傳感器上的各個像素單元時，一些像素單元拍攝一種顏色的圖像，其他像素單元也相應地拍攝其他顏色的圖像。插值處理能夠產生最終全彩色圖像。插值的工作原理是用臨近的像元顏色去添加像素單元未記錄的其他兩種顏色，通過把這兩種以內插值替換的顏色與由該位置直接檢測的顏色組合起來，就產生了各像元的原始顏色。

? ? ? ?在數字攝像機中，還有其他的方法來處理彩色。一些單感應器的攝像機使用交替的bayer濾波的結構；有的采用２個感應器。有的高級攝像機并不累加紅、綠、藍的不同值，而是減去青色、黃色、綠色和洋紅的顏色值。但是，目前市場上大部分攝像機都采用帶有一行綠－紅，一行綠－藍的交互濾波器的單感應器。