題:
相機為什麼不提供超過3個顏色通道? (或者他們?)
Nathaniel
2016-10-23 15:20:16 UTC
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當前,大多數(全部?)市售相機都通過三種顏色通道捕獲光:紅色,綠色和藍色。在我看來,擁有一台具有更大光譜範圍和分辨率的相機會非常有用,因此我想知道為什麼沒有能捕獲三個以上色彩通道的相機。

我的確切意思是什麼?

註釋(自刪除後)中有一些關於我的意思的查詢,所以我想給出更好的解釋。可見光的波長范圍約為390-700nm。在這兩個端點之間有無限多個波長,但是眼睛只有三個顏色的感光體,因此區分它們的能力非常有限。這些的響應曲線顯示在下圖的(a)中。 (更大的版本。)這使我們能夠根據光的頻率看到不同的顏色,因為低頻光對藍色接收器的影響更大,而高頻光對藍色的接收器的影響更大

enter image description here

相機中的數字傳感器的工作原理是在像素的前面放置濾鏡,通常有三個過濾器的類型。選擇這些響應曲線時應使其與上圖(a)盡可能接近,以模仿人眼所見。

但是,從技術上講,沒有理由我們不能添加第四種濾波器類型,例如,峰值在藍色和綠色之間,如圖(b)所示。在下一部分中,我將解釋為什麼這對照片的後處理很有用,即使它與眼睛所見的東西都不對應。

另一種可能性是在下圖中添加其他通道-紅色或紫外線(如圖(c)所示)擴展了攝像機的光譜範圍。 (這可能在技術上更具挑戰性。)

最後,第三種可能性是更精細地劃分頻率範圍,從而生產出具有高光譜分辨率的相機。在此版本中,通常的RGB通道必須由傳感器根據傳感器產生的更細粒度的數據來構建。

我的問題是,為什麼數碼單反相機除了(( a),以及是否有可提供其他相機的相機。 (我問的是您用來拍照的相機的類型-我知道有些科學儀器可以提供這些功能。)

為什麼這會有用?

我一直在編輯用DSLR拍攝的彩色照片中的黑白照片。我發現此過程很有趣,因為在編輯B&W照片時,三個RGB通道僅成為有關場景的數據源。它們所代表的實際顏色幾乎不相關-藍色通道很有用,因為場景中的物體在該波長范圍內反射的光量不同,並且與人眼所看到的相對應“藍色”的相關性要低得多。

具有這三個通道可以在控制最終B&W圖像不同方面的曝光時提供很大的靈活性。在執行此操作時,我想到第四個顏色通道會提供更大的靈活性,所以我想知道為什麼不存在這種事情。

額外的顏色通道對於彩色攝影以及黑色和白色,並且出於相同的原因。通過合併來自代表不同頻率範圍的光的不同通道的數據,您將以與現在構建B&W圖像相同的方式構建每個RGB通道。在大多數情況下,這可以在軟件中自動完成,但在後處理選項方面會提供更大的靈活性。

作為一個簡單的例子,我們知道植物在近紅外中具有很強的反射性。此事實通常用於產生醒目的特殊效果鏡頭,其中植物看起來是亮白色。但是,如果您在編輯軟件中將紅外圖像作為第四通道,則可以用於處理彩色圖像,例如,通過更改圖像中所有植物的曝光,而僅保留較少的紅外反射對象。

對於紅外線,我了解到物理上的原因使得很難製造對紅外線不敏感的傳感器,因此數字傳感器通常具有它們前面有紅外阻擋濾鏡。但是應該有可能製造出在可見光範圍內具有更高光譜分辨率的傳感器,這將帶來相同的優勢。處理,但實際上我認為它會在現在左右出現。數字化功能的局限性取決於可用的數據,因此我可以想像大量的光譜數據將使沒有這些數據的處理技術根本無法使用。

問題

我想知道為什麼似乎不存在此功能。製造具有四個或更多顏色通道的傳感器是否面臨巨大的技術挑戰,還是更多的原因與對這種功能的需求不足有關?研究是否存在多通道傳感器?或者,我對它的實用性完全不對嗎?

或者,如果確實存在(或過去擁有),哪些相機提供了它,它的主要用途是什麼? (我很想看看示例圖片!)

嘿,在這裡的評論中進行了大量的討論,足以觸發自動系統。如果您想就問題和/或答案進行討論,請將其帶到我們的聊天室。謝謝。
[相關(但不同)的問題](https://photo.stackexchange.com/questions/89875/why-do-we-use-rgb-instead-of-wavelengths-to-represent-colors):為什麼我們簡單地使用RGB代替所有波長的濾光片
它會有用的是提供更好的選擇來解決由某些現代類型的照明設備引起的問題。
五 答案:
Euri Pinhollow
2016-10-23 17:31:37 UTC
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為什麼相機不提供超過3個顏色通道?

生產成本更高(生產多種東西成本更高)並且幾乎沒有(可銷售)相對於拜耳CFA的優勢。

(還是他們?)

他們做到了。包括零售相機在內的幾款相機都具有RGBW(RGB +白色),RGBE(RGB +翡翠),CYGM(青黃色綠色洋紅色)或CYYM(青黃色黃色洋紅色)濾鏡。

在我看來擁有更大光譜範圍和分辨率的相機將非常有用,因此我想知道為什麼沒有可捕獲三個以上色彩通道的相機。

通道數量與光譜範圍沒有直接關係。

製造具有四個或更多顏色通道的傳感器是否存在巨大的技術挑戰,還是更多與缺乏需求有關的原因

缺少需求是決定性因素。

另外,CYYM / CYGM濾鏡會導致顏色噪聲增加,因為它們在轉換過程中需要大係數的算術運算。不過,亮度分辨率可以更好,但要以色噪聲為代價。

是否存在作為研究工作的多通道傳感器?還是我只是錯了,否則會有用嗎?

您錯了,那就是頻譜範圍越多,頻譜越多,通道越多,您就錯了,第四個通道提供了許多有趣的處理

或者,如果確實存在(或過去存在),哪些相機提供了它,它的主要用途是什麼?

例如,Sony F828和Nikon 5700,它們和其他幾個甚至都是二手的。它們是常用相機。

有趣的是,光譜範圍不僅受到大多數相機中存在的熱鏡的限制,而且還受到構成傳感器的光電二極管的靈敏度的限制。我不知道在消費類相機中到底使用哪種類型的光電二極管,但這是一個示例圖,顯示了半導體的局限性:

Comparison of photosensitive semiconductors


關於可用於提取第四個通道的軟件:它可能是 dcraw ,但應對其進行修改和重新編譯以僅提取一個通道。

有一個dcraw.c 中F828的4x3矩陣,該矩陣利用了第四個通道。這是一個主意: {7924,-1910,-777,-8226,15459,2998,-1517,2199,6818,-7242,11401‌,3481} -這是矩陣以線性形式,最有可能的第四個值代表翡翠。您將其變成這樣: {0,0,0,8191,0,0,0,0,0,0,0,0} (我不知道應該用什麼數字代替 8191 ,請稍作猜測),重新編譯,然後在紅色通道中去馬賽克後,輸出圖像將變為Emerald通道(如果我正確理解了源代碼)。

評論不作進一步討論;此對話已[移至聊天](http://chat.stackexchange.com/rooms/47379/discussion-on-answer-by-euri-pinhollow-why-dont-cameras-offer-more-than-3- colou)。
Euri,您對dcraw等的評論中有一些超級有用的信息,現在移到了聊天室。您是否有可能將其編輯為後代答案?
Carl Witthoft
2016-10-23 19:50:50 UTC
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這位長期光學系統工程師的幾點筆記。首先,有一種叫做“高光譜”相機的東西,它們使用光柵或類似物將入射光分成幾十個甚至幾百個顏色(波長)通道。您可能想像過的這些本身並沒有用於生成彩色照片,但對於區分從特定材料發出或反射的窄帶光譜線非常有用。例如,地質學家通過安裝在飛機上的高光譜相機,利用這些來識別礦藏。

接下來,每個波長(光子能量)產生的顏色與我們的眼睛感知到的顏色之間存在巨大差異。我們有三個,或者對某些幸運的人來說,四個不同的錐,每個錐具有不同的光譜響應曲線。您可以在網上找到這些曲線,包括該Wikipedia頁面上的第一張圖片。接下來,我們感知的顏色/色調範圍將覆蓋整個貼圖,而由任何單個光子波長產生的顏色將在該貼圖區域中形成一條線。

任何數量的實驗,包括由Edwin Land進行的一些壯觀的實驗,都表明混合RGB足以使眼睛重建所有可能的視覺顏色。 (實際上,事實證明只有兩種顏色加上另一種顏色的灰度表示就足夠了。大腦中的光學處理確實很奇怪)

szulat
2016-10-23 16:58:57 UTC
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RGB相機傳感器之所以如此受歡迎,是因為它們可以再現人的視力

這是大多數人所需要的-使照片看起來像我們所見。

用更多種不同的像素替換RGB子像素可以使用多個濾波器來區分具有更好光譜分辨率的更多波段,但:

  • 僅用於單個目的。每個人都需要大致相同的RGB濾鏡來製作出像樣的照片,但是對於某人有用的可能光譜帶的數量是無限的。您無法以這種方式製作通用相機。

  • 這會降低傳感器的整體靈敏度。每個給定的子像素對所有光線都沒有用,除了它接受的窄帶。更多的濾鏡=更多的浪費的光。

因此,與其製造狹義的傳感器,不如完全不使用任何內置濾鏡的傳感器,最好更換濾鏡在圖像獲取期間。這樣,整個傳感器區域將與每個濾鏡一起使用,而不僅僅是具有匹配子像素的一小部分。

嚴格來說,這不是真的,三種原色無法提供人類可以看到的所有色相。如果您查看[CIE色度圖](https://en.wikipedia.org/wiki/CIE_1931_color_space#CIE_xy_chromity_diagram_and_the_CIE_xyY_color_space),它看起來像是三角形,但是當您看到裡面刻有實用的RGB三角形時,您會看到多少種顏色不見了。藍綠色區域中的第4個原色將創建一個四邊形,其顏色可能多出20%。
附言人們對RGB滿意的唯一原因是,典型色域之外的顏色比RGB能夠再現的顏色稀少。
@MarkRansom是正確的,但是這種不幸的局限性僅會影響顯示屏;-),並且在傳感器方面,我們只需要復制人類敏感度曲線即可使RGB傳感器區分出我們眼睛可以看到的所有顏色!
拜耳濾光器如何不像顯示器那樣將色彩空間限制為三角形?我認為這個主題沒有引起足夠的重視。例如,在談論傳感器芯片差異時從未提及過。
同樣的問題也適用於只有三種“過濾器”的人類視網膜-我猜答案是顯示和感知是不同的動物!也許,與顯示器之間相互爭鬥的顯示器不同,它是如此的無聊和容易,沒人會談論它。
@MarkRansom不能完全不具備三種濾波器的靈敏度。 CIE色度圖由[這些靈敏度](https://en.wikipedia.org/wiki/File:CIE_1931_XYZ_Color_Matching_Functions.svg)組成。它們的特徵是在您發布的圖形上的點[[0; 1],[1; 0],[0; 0]`。
@EuriPinhollow顏色空間本身定義為3個基點。過濾器本身產生什麼無關緊要,它們必須映射到由這3個原色所界定的三角形中。
@MarkRansom我從字面上告訴您形成三角形的點的坐標。內部的[彩色區域](https://en.wikipedia.org/wiki/CIE_1931_color_space#CIE_xy_chromity_diagram_and_the_CIE_xyY_color_space)只是代表人類看到的顏色。
@EuriPinhollow是的,xy圖確實包含所有可見的顏色,我不會/不能爭論(儘管它是一個矩形而不是一個三角形)。我要說的是,我們使用的色彩空間是由3個點定義的顏色子集,對於物理上可實現的系統,這3個點必須位於可見空間內。
您談論@MarkRansom的顯示或記錄嗎?有很大的不同。 XYZ空間是一個三刺激空間,它的色度在我命名的圖形上具有坐標。 [此處為圖片](https://www.micro-epsilon.co.uk/news/2018/UK_ME321-understandiing-colour-space/CIE-zh-XYZ-colour-space.jpg)(外部陰影一)。
無法顯示的@EuriPinhollow記錄的顏色並不是非常有用。儘管我承認XYZ坐標可用於指定每種可見顏色,但在顏色空間大小和分辨率之間需要權衡。常用的每通道8位甚至無法為微小的sRGB空間提供足夠的分辨率。
user57754
2016-10-24 02:51:32 UTC
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人眼中有三個顏色傳感器。它們的光譜輪廓很寬並且重疊。它們各自將神經信號發送到大腦,在大腦中輸入被解釋為顏色。上一個答案中關於大腦發生異常處理的評論是正確的。在這種情況下,對於給定的顏色只需要3個刺激即可。有關詳細信息,請參閱Wikipedia上有關色覺的文章。

Uwe
2016-10-24 12:39:32 UTC
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也有多光譜相機,帶有用於紅外和紫外光的附加通道,但不是消費產品。



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