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相機中的像素和色彩重建的探討... 
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註冊時間: 2010年 9月 10日, 01:46
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剛看完一篇有關ISO控制的文章,看了半天看不懂。原本寫一些跟PIXEL有關的東西來討論ISO的部份,寫了半天變成在介紹pixel和色彩重建的東西。有興趣的往下看吧。。。

資料來源:Wikipedia

[PIXEL]
首先,Pixel的概念其實沒有那麼複雜。。。一個pixel(像素)就是數位影像中最小的一個點:
A pixel is generally thought of as the smallest single component of a digital image.
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"This example shows an image with a portion greatly enlarged, in which the individual pixels are rendered as little squares and can easily be seen."
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"A pixel does not need to be rendered as a small square. This image shows alternative ways of reconstructing an image from a set of pixel values, using dots, lines, or smooth filtering."

[SUBPIXEL]
顯示器和影像獲系統,通常無法直接偵測多種顏色的頻道,所以把一個pixel分成多種單色的subpixel點來進一步的記錄。
"Many display and image-acquisition systems are, for various reasons, not capable of displaying or sensing the different color channels at the same site. Therefore, the pixel grid is divided into single-color regions that contribute to the displayed or sensed color when viewed at a distance. In some displays, such as LCD, LED, and plasma displays, these single-color regions are separately addressable elements, which have come to be known as subpixels."
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[CMOS sensor pixels]
雖然CMOS Sensor的像素和前面需要subpixel的系統很相似,但普遍的相機系統中所用的Pixel來自Bayer Filter,算一不是subpixel。相機的像素是利用類似於subpixel中的單色pixel來進行記錄,並且透過一定的色彩重建算法來重建一個影像。(另外Bayer Filter的發明人是來自Kodak公司的Bryce E. Bayer)
"Most digital camera image sensors use single-color sensor regions, for example using the Bayer filter pattern, and in the camera industry these are known as pixels just like in the display industry, not subpixels."
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值得一提的是Bayer Filter中的每個單色點就是相機中的pixel (以前還一直把那些點當做是subpixel...)。但如果這個單色點就是我們所謂的pixel, 那相機要如何透過這個只能偵測一個顏色的單色點來偵測實際的顏色? 利用電腦來進行"Demosaicing Algorithm"(這裡應該會直接翻譯成去馬賽克而是一種數位影像的解碼算法)
"The raw output of Bayer-filter cameras is referred to as a Bayer pattern image. Since each pixel is filtered to record only one of three colors, the data from each pixel cannot fully determine color on its own. To obtain a full-color image, various demosaicing algorithms can be used to interpolate a set of complete red, green, and blue values for each point. Different algorithms requiring various amounts of computing power result in varying-quality final images. This can be done in-camera, producing a JPEG or TIFF image, or outside the camera using the raw data directly from the sensor."

*其實除了Bayer Filter以外, Kodak公司在07年發表了一種新的Filter科技, 其中善用了紅、藍、綠、透明。這種Filter具有紅外線的偵測能力。
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**另外Fujifilm(富士軟片公司)也發佈了屬於他們公司獨特的一種Filter.
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[Demosaicing Algorithm]
如果叫他是去馬賽算法,好像會有點讓人會錯意。。。 :oops: 我們簡稱它為DA,DA只是一種數位影像的解碼算法,或者叫他色彩重建算法也可以。因為這個算法是在把Bayer Filter的輸出用CFA過濾後再來進行的計算,所以DA也稱之為CFA interpolation(CFA插補)或color reconstruction (色彩重建)
"A demosaicing (also de-mosaicing or demosaicking) algorithm is a digital image process used to reconstruct a full color image from the incomplete color samples output from an image sensor overlaid with a color filter array (CFA). It is also known as CFA interpolation or color reconstruction."

那CFA又是什麼呢? 首先我們先假設透過Bayer Filter得到下面的圖像。。。
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在這個圖像中,我們用CFA把紅、藍、綠分辨出來。。。
圖檔圖檔圖檔
最後再用特定的Demosaicing算法來進行色彩重建。。。
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在顏色大量重複的區域,色彩的重建很完整。但在角落存在多種顏色的地方,色彩重建會出錯,失去部份的數據導致模糊。
*當一個pixel同時有紅藍綠三種顏色的時候,它會顯示白色的。當一個顏色都沒有的時候,他是黑色的。

[Algorithms]
色彩重建的算法有很多種,其中比較常見/簡單的 "Nearest-neighbor interpolation"是直接複製pixel(單點)附近的色彩來進行計算。

另外還有透過單點旁邊的兩個同色的平均來計算"Bilinear interpolation"。
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Bilinear interpolation算法:
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除此之外,另外還有單獨取個別的單點進行比較複雜的計算之算法:bicubic interpolation, spline interpolation, and Lanczos resampling.


[結論]
基本上我們按下快門的那一瞬間,類比的影像透過鏡頭被CMOS感光元件接收,然後由數位影像Bayer Filter的方式記錄下來。並且透過CFA和特定的算法,我們的Bionz影像處理器把它儲存成JPEG/TIFF/RAW檔。值得一提的是,越是簡單的算法,估算出來的東西越有可能出錯,所以導致色彩重建的時候發生失真。而low-encryption的JPEG中發生的失真就是一種簡單的算法導致失真的結果。而RAW檔之所以很完美就是因為它沒有進行任何的估算,完全保留原始的bayer filter數據。
*不過其實JPEG算法並沒有那麼“簡單”,只是使用者可以選擇比較少的sampling次數,犧牲畫質,大量減少檔案大小。

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2012年 11月 1日, 04:00
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