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Mr.OH! 數(shù)位講座 - 第29講 數(shù)位相機(jī)的缺陷:摩爾紋、偽色與紫邊效應(yīng) / 數(shù)位影像坊

 玉壘山人 2006-09-13

Mr. OH!主述
ANAN 策劃 / 編輯

  • 無可避免的數(shù)位相機(jī)缺陷

        許多傳統(tǒng) 攝影師一直抗拒影像被數(shù)位科技所取代,這種類似在音響世界裡喜愛真空管放大器產(chǎn)生溫暖滑潤的聲音,而從心底層面排斥生冷的電晶體設(shè)備一樣的情緒,其實(shí)也反映在人們 從習(xí)慣傳統(tǒng)銀鹽底片色調(diào),轉(zhuǎn)換應(yīng)用僵硬的數(shù) 位影像之心理抗拒一般。面對數(shù)位影像除了純心理上的反感之外,更糟糕的是它們確實(shí)存在著無可避免的瑕疵,而使得傳統(tǒng)影像的堅(jiān)持者更為義正嚴(yán)詞!


數(shù)位相機(jī) CCD 的細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖,藉由馬賽克色塊的分佈推算出每一個(gè)畫素的色彩含量(感謝柯達(dá)公司提供)

  • 摩爾紋 Moiré effects

        在這些瑕疵之中,使用者最常遇到的就是利用數(shù)位相機(jī)拍攝的過程中,如果有密佈的紋理出現(xiàn)在畫面中(下圖),例如:牛仔或卡其布面等;拍照後審視數(shù)位照片會(huì)出現(xiàn)原先肉眼所沒發(fā)現(xiàn)的水波樣條紋,這就是『摩爾紋』!除此之外,摩爾紋也會(huì)出現(xiàn)在密佈欄桿、屋頂波浪板以及其他同等重複密度的物體景物中。

        由於摩爾紋可以說是只有數(shù)位相機(jī)才有特有瑕疵,因此有必要徹底瞭解摩爾紋產(chǎn)生的原因。為何摩爾紋會(huì)出現(xiàn)在數(shù)位影像,卻不會(huì)出現(xiàn)在底片上,就必須先從認(rèn)識(shí)底片與CCD基本構(gòu)造不同開始。簡單的說,由於底片上密佈了亂數(shù)分佈之均勻感光粒子,因此可以將其視為一個(gè)完整的感光平面;CCD和CMOS 則全然不同、那是一個(gè)完整地、排列整齊的電子感光原件『矩陣』。同學(xué)也可以這樣想像,妳無法確定每一張底片上究竟有多少感光粒子,可能有一千萬、也可以是一千一百萬,大體是維持在這樣的平均數(shù)之中;但對於CCD來說,標(biāo)準(zhǔn)的三百萬畫素就是 2048X1536 個(gè)『Pixel』,妳每一次按下快門拍照,絕不可能多一個(gè)或少一個(gè)畫素。

        正由於 CCD 分佈是如此的規(guī)律,所以妳可以瞭解如果是拍攝一組同樣條理分明的密集線條,例如:上圖中的黑白相間的Bars,如果 Bars 的密度低於 CCD 間格的密度,當(dāng)然拍出的影像是『條條皆清楚』(左圖);反過來說,如果 Bar 的密度遠(yuǎn)高於 CCD 的間格,那麼數(shù)位相機(jī)就會(huì)將其換算成一整片的『灰』色(圖中)??墒侨绻?Bar 的密度恰好介於CCD可以分辨的間格之中(理論差值約為 1/2 Pixel / 圖右),那麼無可避免的數(shù)位相機(jī)還是會(huì)解讀出部分可以辨識(shí)的結(jié)果,卻也會(huì)加上不能辨識(shí)的灰階地帶,兩者的和就會(huì)形成規(guī)律性的紋路,而反應(yīng)在視覺上就是週期性的波紋。

        很多同學(xué)問 Mr.OH! 究竟『Moiré 』摩爾是何許人也?這個(gè)現(xiàn)象是為了紀(jì)念他而命名的嗎?這其實(shí)是一個(gè)誤解,Moiré 原出自法文,1570 年前後被用來描述安哥拉山地羊毛特殊的織布,也有引伸為規(guī)則紋路的意思、一直到 1823 年這個(gè)字被用來說明規(guī)則『波紋』的形容詞。因此,當(dāng)我們使用『摩爾紋』這個(gè)字時(shí),其實(shí)就是講『波浪紋』的意思。時(shí)至今日,摩爾紋已經(jīng)可以精確地利用數(shù)學(xué)公式加以推算出來(見上圖);而除了布料之外,電腦螢?zāi)换螂娨曉陲@示密集條紋也會(huì)出現(xiàn)摩爾紋、甚至如果你將數(shù)位相機(jī)對準(zhǔn)電視螢?zāi)灰苑谴怪钡慕嵌扰臄z,你也會(huì)發(fā)現(xiàn)摩爾紋的存在。

  • 假色與偽色(False Color)

         Moiré effects 通常用來描述單色(黑白)照片所出現(xiàn)波浪紋現(xiàn)象;這個(gè)現(xiàn)象當(dāng)然也會(huì)出現(xiàn)在彩色照片之中,特別是在密度相對較高或是空間對比很大的地方,這會(huì)使得原本應(yīng)該是色調(diào)相同之處,卻會(huì)在數(shù)位相機(jī)拍照之後,出現(xiàn)奇怪、非自然的顏色(見下圖),例如:人的眼睫毛或是牛仔布料上、也是日本攝影界常稱的『假色』或『偽色』的現(xiàn)象。

        『偽色』的形成除了 摩爾效應(yīng)之外,感光器的三原色RGB色塊排列也要付很大一部分責(zé)任。這是因?yàn)樵陬伾拥耐瑫r(shí),因?yàn)榭臻g差而沒有取樣到的顏色,數(shù)位相機(jī)中的影響處理引擎仍會(huì)按照 CCD 色塊的順序排列(RGB),試圖為每一個(gè)畫素去分配應(yīng)有的顏色。這種情況在大量色塊均勻分佈時(shí)是正確的處理程序。可是遇到突出部或微細(xì)構(gòu)造時(shí),這樣的顏色換算往往會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤而產(chǎn)生偽色。




數(shù)位相機(jī)的影像處理引擎,必須額外算出 50%的 Green + 75%的 Blue +  75%的 Red
這些依靠計(jì)算得來的顏色,依統(tǒng)計(jì)學(xué)來說大至與自然分佈相同,卻也有例外的時(shí)候,這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生『偽色』。

        為什麼不用『摩爾色』而用『偽色』或『假色』呢?因?yàn)檫@個(gè)現(xiàn)象除了,摩爾效應(yīng)、CCD 設(shè)計(jì)之外,也有可能是鏡頭的像差所造成的。相機(jī)的設(shè)計(jì)者很難單從發(fā)生在畫像周邊的偽色現(xiàn)象推斷出究竟是從鏡頭到CCD中哪一個(gè)環(huán)節(jié)出了問題,再檢查這一類問題時(shí)必須重複考慮因?yàn)殓R片組合中折射率的不同,而發(fā)生在焦點(diǎn)光軸上的色散現(xiàn)象、高低空間頻率所發(fā)生的誤差、甚至是影像感光器中可能的電荷洩漏發(fā)生等、各種各樣的原因。

  • 消除摩爾紋

        摩爾紋可以消除嗎?答案是肯定,最簡單的方法就是使數(shù)位相機(jī)的解像力小於感光物件的空間頻率,使其成為『灰階』化即可。這個(gè)方法可以透過『軟體』與『硬體』兩種方法做到?!很涹w』的部分主要是利用影像後製為主;硬體的部分,則可以使用鏡前濾光鏡(見下圖左)專門消除 Moiré effects,這種濾鏡共有四個(gè)等級(jí) 4.0、5.6、8.0 與 11.0 級(jí)數(shù)越高者,可以呈現(xiàn)出更銳利的影像。

        另一種方式就是將這片濾光鏡直接安裝在 CCD 的前面,使其曝光條件滿足空間頻率,影像中就不會(huì)出現(xiàn)摩爾紋。大量的數(shù)位相機(jī)與 DSLR 的 CCD 前安裝有低通道過濾器,Canon EOS 30D 甚至安裝了三組低通道濾片(因其 CMOS 開口率較大故需要更佳的濾除效果)。透過這種方式,徹底過濾影像中高空間頻率部分,減少摩爾紋發(fā)生的機(jī)會(huì),但這也會(huì)同步降低影像的銳利度。

  • 『紫邊問題』- Purple Fringe

        為什麼 Mr.OH! 稱:『紫邊問題(Purple Fringe)』,而不是『紫邊效應(yīng)』呢?這是因?yàn)檫@個(gè)問題的發(fā)生,擁有好幾種說法,目前比較廣為接受的就是『鏡頭色散』與『CCD顏色插值』運(yùn)算之問題。這個(gè)問題的發(fā)生在於拍攝高反差的景物時(shí),例如:背光環(huán)境(下圖),在明暗交界的邊緣部分會(huì)出現(xiàn)異常的紫色。

        這個(gè)問題,同樣也會(huì)發(fā)生在當(dāng)你使用內(nèi)建閃光燈在室內(nèi)拍攝鍍鉻或鏡面物體時(shí)強(qiáng)烈反光中,也可以看到這樣的問題。嚴(yán)格來說,紫邊實(shí)際上是洋紅色(Magenta),這給了主張紫邊問題的產(chǎn)生,取決於數(shù)位相機(jī)CCD在色彩插值運(yùn)算過程中,因藍(lán)B、R紅兩色混合誤差而產(chǎn)生有力的證據(jù)。另一派色散(Chromatic aberration)的說法,則舉出固有鏡片會(huì)對不同波長光波產(chǎn)生色散的例子來說明,紫邊的問題(見下圖)。這個(gè)說法最大的矛盾,在於傳統(tǒng)底片時(shí)代同樣的鏡頭卻鮮少發(fā)生紫邊問題。因此,很多解釋通常會(huì)給鏡頭和CCD 各打五十大扳!

  • 針對紫邊問題的成因說法:

  1. 鏡頭:色散 Chromatic aberration

  2. CCD 錯(cuò)誤 Sensor effects: Chromatic aberration in each CCD cell (microlenses)

  3. 數(shù)位影像雜訊 Digital noise in dark areas

  4. 色彩插值運(yùn)算問題 Image processing and interpolation artifacts (SIGMA 3CCD SA 系列DSLR 除外)

  5. 環(huán)境紫外線影響 Stray ultraviolet light

  6. 環(huán)境紅外線影響 Stray infrared light

  7. 邊緣過度曝光影響Image bloom from overexposure

  8. CCD電荷外洩 Voltage leaks between cells of the CCD


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