解析彩色相机拍摄现网格之谜

圈儿圈儿 · 发表于 2014-9-17 13:55

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本帖最后由圈儿圈儿于 2014-9-17 15:14 编辑

解析彩色相机拍摄现网格之谜

很多爱好者在使用彩色相机拍摄图像，或者后期图像处理的时候，都会碰到一些疑惑，例如无法获得正确的色彩，图像有网格，图像叠加以后色彩很奇怪等等。这些问题的产生是与彩色相机获得彩色图像的原理有关。为了能够清晰的阐明这些问题的原因以及正确的处理方法，我们首先需要介绍一下彩色相机是如何获得彩色图像的。

理论篇

CCD或者CMOS本身的像素只能感知光线的强弱（即灰度，或者图像的明暗），是无法直接感受光线的色彩的。为了实现彩色图像的获取，要么需要拍摄三张三原色图像（黑白CCD加滤镜轮的方式），要么用彩色分光棱镜将彩色光线分解成红绿蓝三种光线，分别照到三个CCD芯片上（即所谓的3CCD相机）。而目前最主流的实现彩色图像拍摄的方式是采用表面覆盖有BAYER过滤膜的单片CCD，我们简称为彩色CCD。

彩色CCD的每一个像素上都有一个滤光膜。但是并不是说每一个像素都有红绿蓝三个小像素组成，而是每一个像素上仅有一种颜色。要么是红，要么是绿，要么是蓝。

而BAYER过滤膜指的是红绿蓝的像素的排列。

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排列方式是

RGRGRG....
GBGBGB....
RGRGRG....
GBGBGB.....

因此，一个100万像素的彩色CCD芯片，其中只有四分之一的是红色像素，四分之一的是蓝色像素，四分之二的是绿色像素。

如果我们把彩色CCD输出的原始数据拿出来，显然，由于CCD只能感知亮度，而不能感知色彩，因此我们看到的将是一张灰度的图像，而且这张图像往往有有很明显的网格的。

为了说明网格产生的原因，我们举一个极端的例子，比如我们用彩色CCD拍摄一个红色物体。由于彩色CCD上的过滤膜，红光线只会进入到红色像素，而不能进入到绿色和蓝色像素。因此这张图片上，红色像素上是有光的，绿色和蓝色像素都是黑色的。于是就是下图的情形。这样就是一张网格的图像。

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这个网格，就是体现了红绿蓝不同像素位置的颜色的差异。正是由于这样的网格图像，才有可能通过之后的算法将其转换为彩色图像。如果没有网格，也无法产生彩色图像了。

为了将彩色CCD输出的原始图像（RAW图像）转换为真正的彩色图像，我们需要做两件事情：

1.猜出其他两种颜色的值。例如，对于红色像素，所在的那个位置，彩色CCD只能感知红色的灰度值，而无法知道绿色和蓝色的灰度值。那么只能通过猜测的办法来猜出绿色和蓝色来。怎么猜呢？例如对于我们想猜绿色值，我们知道红色像素旁边是有绿色像素的。然后我们认为周围的绿色像素的平均值就是这一点的绿色值。这样我们就获得了这个红色像素所在位置的绿色值，同理可以获得蓝色值。

2.渲染。我们已经获得了这个像素的红绿蓝三原色的值，然后将这个像素的灰色换成对应的彩色。就实现了彩色的图像。
上述的过程叫做debayer，或者也叫做demosaicing。这是因为这种网格图像放大以后很像马赛克。

上述过程会产生一个问题，就是对于BAYER排列，实际会存在四种可能性。即

RGRG
GBGB

GRGR
BGBG

GBGB
RGRG

BGBG
GRGR

有的CCD是第一种情况，有的其他情况。而电脑并不知道此事。这样在转换图像的时候，电脑不知道第一个像素所代表的灰度，到底对应的是红还是绿还是蓝。这样就会导致渲染的时候产生不对的图像。因此必须告诉电脑此事。才能获得正确颜色的图像。

有的爱好者会有疑问，既然采用原始图像输出这么麻烦，后期还需要做彩色转换等工作。那为什么不直接采用软件处理好的彩色图像呢。
这个是因为彩色图像的数据量是RAW图像的三倍。意味这更大的硬盘空间消耗。同时也意味着更大的数据带宽。例如1280*960 30帧的视频，每秒的RAW数据量是1280*960*30= 大约36MB 。而彩色数据量则为36*3=108MB。108M这么大的数据带宽很多硬盘的写入速度都达不到。因此自然是采用RAW数据存储更有优势。

实践篇

由于不同的彩色CMOS的BAYER RGB排列不同，一共有四种排列方式 RG GB GR GB 。所以在拍摄时，我们需要注意选择正确的方式，已达到适合的颜色，可以询问一下厂商或者查一下芯片手册。最简单的方法，从其中试验一下，选择出合适的色彩。

以EZPlanetary为例相机是QHY5L-II-C

连接相机，打开运行拍摄软件EZPlanetry，点击camera选择相机，选择像素。

设置增益、曝光时间，开始拍照

然后调节好白平衡，就可以得出清晰的图片了，将5L-II对准一张白纸，调节白平衡，对于EZPlanetry软件来说，采用的是以绿色为基准调整白平衡，所以调整过的人都会看到，白平衡中的绿色滚动条，向左或者向右调整都没有反应。这个是正常现象。对着白纸发现Histogram的三个通道的颜色分布在上图中显示的很清晰。只要调整R和B，将红色和蓝色调整成和绿色的基本重合，就可以了。