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無(wú)法避免的數(shù)碼相機(jī)缺陷~~~摩爾紋、偽色與紫邊

 zhbing 2008-08-01
   許多傳統(tǒng) 攝影師 一直抗拒影像被數(shù)字科技所取代,這種類似在音響世界里喜愛(ài)真空管放大器產(chǎn)生溫暖滑潤(rùn)的聲音,而從心底層面排斥生冷的晶體管設(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)字影像之心理抗拒一般。面對(duì)數(shù)字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(wú)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)字相機(jī) CCD 的細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖,藉由馬賽克色塊的分布推算出每一個(gè)畫素的色彩含量

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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)碼相機(jī)拍攝的過(guò)程中,如果有密布的紋理出現(xiàn)在畫面中(下圖),例如:牛仔或卡其布面等;

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    拍照后審視數(shù)字照片會(huì)出現(xiàn)原先肉眼所沒(méi)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)在密布欄桿、屋頂波浪板以及其它同等重復(fù)密度的物體景物中。

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    由于摩爾紋可以說(shuō)是只有數(shù)碼相機(jī)才特有的瑕疵,因此有必要徹底了解摩爾紋產(chǎn)生的原因。為何摩爾紋會(huì)出現(xiàn)在數(shù)字影像,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(kāi)始。

    簡(jiǎn)單的說(shuō),由于底片上密布了隨機(jī)數(shù)分布之均勻感光粒子,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』。

    也可以這樣想象,你無(wú)法確定每一張底片上究竟有多少感光粒子,可能有一千萬(wàn)、也可以是一千一百萬(wàn),大體是維持在這樣的平均數(shù)之中;
但對(duì)于CCD來(lái)說(shuō),標(biāo)準(zhǔn)的三百萬(wàn)像素就是 2048X1536 個(gè)『Pixel』,你每一次按下快門拍照,絕不可能多一個(gè)或少一個(gè)像素。

    正由于 CCD 分布是如此的規(guī)律,所以你可以了解如果是拍攝一組同樣條理分明的密集線條,例如:圖中的黑白相間的Bars,如果 Bars 的密度低于 CCD 間格的密度,當(dāng)然拍出的影像是『條條皆清楚』;

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反過(guò)來(lái)說(shuō),如果 Bar 的密度遠(yuǎn)高于 CCD 的間格,那么數(shù)碼相機(jī)就會(huì)將其換算成一整片的『灰』色。

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    可是如果 Bar 的密度恰好介于CCD可以分辨的間格之中(理論差值約為 1/2 Pixel / 圖右),那么無(wú)可避免的數(shù)字相機(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(jué)上就是周期性的波紋。

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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 年前后被用來(lái)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(lái)說(shuō)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(lái);

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而除了布料之外,計(jì)算機(jī)屏幕或電視在顯示密集條紋也會(huì)出現(xiàn)摩爾紋、甚至如果你將數(shù)字相機(jī)對(duì)準(zhǔn)電視屏幕以非垂直的角度拍攝,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(lái)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(duì)較高或是空間對(duì)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)字相機(jī)拍照之后,出現(xiàn)奇怪、非自然的顏色(見(jiàn)下圖),例如:人的眼睫毛或是牛仔布料上、也是攝影界常稱的『假色』或『偽色』的現(xiàn) 象。

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『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(méi)有取樣到的顏色,數(shù)字相機(jī)中的影響處理器仍會(huì)按照 CCD 色塊的順序排列(RGB),試圖為每一個(gè)像素去分配應(yīng)有的顏色。

這種情況在大量色塊均勻分布時(shí)是正確的處理程序??墒怯龅酵怀霾炕蛭⒓?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)字相機(jī)的影像處理器,必須額外算出 50% Green + 75% Blue +  75% Red

這些依靠計(jì)算得來(lái)的顏色,依統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)說(shuō)大至與自然分布相同,卻也有例外的時(shí)候,這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生『偽色』。

數(shù)字相機(jī)的影像處理器,必須額外算出 50%的 Green + 75%的 Blue +  75%的 Red

這些依靠計(jì)算得來(lái)的顏色,依統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)說(shuō)大至與自然分布相同,卻也有例外的時(shí)候,這時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生『偽色』。

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2008-6-25 21:05

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為什么不用『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)生在畫面周邊的偽色現(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(wèn)題,再檢查這一類問(wèn)題時(shí)必須重復(fù)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泄漏發(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(jiǎn)單的方法就是使數(shù)字相機(jī)的解像力小于感光對(duì)象的空間頻率,使其成為『灰階』化即可。

這個(gè)方法可以透過(guò)『軟件』與『硬件』兩種方法做到?!很浖坏牟糠种饕抢糜跋窈笃跒橹鳎?/span>

硬件的部分,則可以使用鏡前濾光鏡專門消除 Moiré effects,這種濾鏡共有四個(gè)等級(jí) 4.0、5.6、8.0 11.0 級(jí)數(shù)越高者,可以呈現(xiàn)出更銳利的影像。

消除摩爾紋

        摩爾紋可以消除嗎?答案是肯定,最簡(jiǎn)單的方法就是使數(shù)字相機(jī)的解像力小于感光對(duì)象的空間頻率,使其成為『灰階』化即可。

這個(gè)方法可以透過(guò)『軟件』與『硬件』兩種方法做到?!很浖坏牟糠种饕抢糜跋窈笃跒橹鳎?br>
硬件的部分,則可以使用鏡前濾光鏡專門消除 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。

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2008-6-25 21:08

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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。

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大量的數(shù)碼相機(jī)的 CCD 前安裝有低通濾波器,Canon EOS 30D 甚至安裝了三組低通濾波器(因其 CMOS 開(kāi)口率較大故需要更佳的濾除效果)。

 『紫邊問(wèn)題』- Purple Fringe

        
為什么 稱:『紫邊問(wèn)題(Purple Fringe)』,而不是『紫邊效應(yīng)』呢?這是因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題的發(fā)生,擁有好幾種說(shuō)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(wèn)題。

這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生在于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。

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這個(gè)問(wèn)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(wèn)題。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō),紫邊實(shí)際上是洋紅色(Magenta),這給了主張紫邊問(wèn)題的產(chǎn)生,取決于數(shù)字相機(jī)CCD在色彩插值運(yùn)算過(guò)程中,因藍(lán)、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(shuō)法,則舉出固有鏡片會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)光波產(chǎn)生色散的例子來(lái)說(shuō)明,紫邊的問(wèn)題(見(jiàn)下圖)。

這個(gè)說(shuō)法最大的矛盾,在于傳統(tǒng)底片時(shí)代同樣的鏡頭卻鮮少發(fā)生紫邊問(wèn)題。因此,很多解釋通常會(huì)給鏡頭和CCD 各打五十大扳!

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    針對(duì)紫邊問(wèn)題的成因說(shuō)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)字影像噪聲 Digital noise in dark areas
4.        
色彩插值運(yùn)算問(wèn)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(guò)度曝光影響Image bloom from overexposure
8.        CCD
電荷外泄 Voltage leaks between cells of the CCD

 



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