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高速攝像機(jī)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(diào)。根本上來(lái)說(shuō)，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(diào)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(jù)光的波動(dòng)說(shuō)，單一波長(zhǎng)的光稱為單色光。從人們可以區(qū)別各種不同顏色這樣一個(gè)事實(shí)出發(fā)，似乎可以假定視網(wǎng)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(yīng)，那么某一彩色感覺(jué)只能由相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁能引起，然而，事實(shí)卻不完全如此。照射到某一視網(wǎng)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(wǎng)膜上的紅光和綠光配出來(lái)。幾乎所有的顏色都能由三種基本彩色混配起來(lái)，這三種彩色就叫做三基色。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）選擇紅色（λ＝700.00ｎｍ）、綠色（λ＝546.1ｎｍ）和藍(lán)色（λ＝435.8ｎｍ）三種單色光作為表色系統(tǒng)的三基色。所有顏色都可以用互相獨(dú)立的三基色混合得到。照片中的顏色通?；诩t、綠、藍(lán)三原色，它稱為添加顏色系統(tǒng)，因?yàn)樵撊N顏色以相同量合成時(shí)，呈現(xiàn)的顏色為白色，這個(gè)系統(tǒng)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(lán)色（RGB），但有些高級(jí)的相機(jī)使用青色、紅紫色和黃色（CMYK）濾光鏡。在整個(gè)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(lán)）的順序像馬賽克一樣排列，使每一片“馬賽克”下的像素感應(yīng)不同的顏色。

? ? ? ?數(shù)字?jǐn)z像機(jī)傳感器上的每個(gè)像元包含一個(gè)光敏二極管，用來(lái)測(cè)量光的強(qiáng)度，因?yàn)楣怆姸O管為單色器件，不能分出不同波長(zhǎng)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(lán)光的成分，CFA普遍應(yīng)用的是GRGB Bayer格式。

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

? ? ? ?普通濾波器的結(jié)構(gòu)為Bayer濾波器結(jié)構(gòu)，如圖所示。這種結(jié)構(gòu)是一列紅和綠濾波器與一列藍(lán)和綠濾波器相互交替布置。這些像元并沒(méi)有均勻分開(kāi)，事實(shí)上，綠色像元的數(shù)量是藍(lán)色和紅色像元數(shù)量的總和，這是因?yàn)槿说难劬?duì)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(jué)到是“真彩色”。

? ? ? ?這種方法的優(yōu)點(diǎn)是僅有一個(gè)感應(yīng)器，所有的顏色信息（紅、藍(lán)、綠）在同時(shí)刻記錄，這就意味著攝像機(jī)體積小、便宜，并在很多場(chǎng)合得到應(yīng)用。另外，就有可能制造買(mǎi)得起的手持式數(shù)字式攝像機(jī)。帶有Bayer濾波器的感應(yīng)器原始輸出為不同亮度的紅、綠和藍(lán)像素的馬賽克（mosaic）圖像。

? ? ? ?數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采用了特殊的解馬賽克運(yùn)算法則，不同顏色的馬賽克轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的過(guò)程中從每個(gè)像元獲得信號(hào)，并以最接近它的相同顏色點(diǎn)作平均，對(duì)中間點(diǎn)進(jìn)行估算，即把紅色、綠色和藍(lán)色濾光鏡直接放在傳感器上的各個(gè)像素單元時(shí)，一些像素單元拍攝一種顏色的圖像，其他像素單元也相應(yīng)地拍攝其他顏色的圖像。插值處理能夠產(chǎn)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(guò)把這兩種以內(nèi)插值替換的顏色與由該位置直接檢測(cè)的顏色組合起來(lái)，就產(chǎn)生了各像元的原始顏色。

? ? ? ?在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中，還有其他的方法來(lái)處理彩色。一些單感應(yīng)器的攝像機(jī)使用交替的bayer濾波的結(jié)構(gòu)；有的采用２個(gè)感應(yīng)器。有的高級(jí)攝像機(jī)并不累加紅、綠、藍(lán)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(chǎng)上大部分?jǐn)z像機(jī)都采用帶有一行綠－紅，一行綠－藍(lán)的交互濾波器的單感應(yīng)器。