Part 2：CCD還原色彩的秘密

一、彩色濾鏡的結(jié)構(gòu)

　　經(jīng)過(guò)上文剖析的信號(hào)轉(zhuǎn)換后，此時(shí)得到的還是一個(gè)灰調(diào)的影像，必須經(jīng)過(guò)色彩還原才是我們最終見(jiàn)到的絢麗多彩的數(shù)碼照片。CCD對(duì)環(huán)境色彩的還原過(guò)程有一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做“白平衡”。由于CCD中的感光電極只能感受光線的強(qiáng)弱，對(duì)光的色彩卻完全沒(méi)有分辨能力，因此CCD都使用了“彩色濾鏡”（Color Filter Array），這正是其結(jié)構(gòu)中的色彩還原層，濾鏡的作用是只能讓特定波長(zhǎng)的光線通過(guò)，從而達(dá)到攝取所需顏色的目的。

　　通過(guò)前文的講解我們都已經(jīng)知道了在CCD內(nèi)部感光電極為矩陣形排列，因此一一對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)的彩色濾鏡也為矩陣型結(jié)構(gòu)，其排列方式具有相當(dāng)?shù)囊?guī)律性，按照過(guò)濾的色彩不同而被分為三種。在DC發(fā)展的初級(jí)階段，CCD中使用的都是補(bǔ)色（Complmentary）濾鏡，如圖6所示其也被成為“CMY濾鏡”，分別代表了可以過(guò)濾青、黃、綠、洋紅，四種顏色光線。

圖6

　　而現(xiàn)在原色（Primary）濾鏡為業(yè)內(nèi)通用的色彩還原技術(shù)，如圖7所示，其中包含綠色（G）、藍(lán)色（B）和紅色（R）濾鏡單元，故又被親切地稱為“RGB濾鏡”。

圖7

　　至于第三種我們可以當(dāng)作是曇花一現(xiàn)的技術(shù)，它就是索尼在2003年底發(fā)布的800萬(wàn)像素F-828中所使用的4color濾鏡技術(shù)，索尼認(rèn)為傳統(tǒng)的RGB濾色方式是為了適應(yīng)彩色電視機(jī)和電腦顯示器的色彩特性應(yīng)運(yùn)而生的，但與人眼的視覺(jué)感受略有不同，才會(huì)出現(xiàn)顯示的顏色與真實(shí)顏色間有一定微妙的差異，因此4color濾鏡結(jié)構(gòu)在原來(lái)的RGB三色濾鏡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了一組翡翠綠色（Emerald）的濾鏡單元（圖8）。

圖8

二、色彩還原的算法

　　為了能更清楚地說(shuō)明色彩還原這個(gè)過(guò)程，我們姑且先將一個(gè)電極加一片濾鏡構(gòu)成的單元當(dāng)作最終照片中的一個(gè)像素。例如使用500萬(wàn)像素的DC拍照，最大可以拍攝分辨率為2592×1944的照片，這表示照片中有2592×1944個(gè)像素點(diǎn)，若我們將照片的分辨率設(shè)定在1600×1200，這時(shí)千萬(wàn)不要誤認(rèn)為這么多像素中只有1600×1200個(gè)像素點(diǎn)參與成像，而是整個(gè)CCD感光面積都感受光線，接下來(lái)以原色濾鏡為例具體剖析CCD進(jìn)行色彩還原秘密的時(shí)候就容易理解的多了。

　　參照?qǐng)D7的原色濾鏡結(jié)構(gòu)示意圖，我們發(fā)現(xiàn)其排列為G-R-G-R（綠、紅、綠、紅）一行，另一行則為B-G-B-G（藍(lán)、綠、藍(lán)、綠），從而依次構(gòu)成了分布均勻的RGB排列，這在影像工業(yè)中被稱為三原色，通過(guò)相互間加權(quán)運(yùn)算的組合，幾乎能構(gòu)成我們現(xiàn)實(shí)生活中的所有色彩。仔細(xì)一算這才發(fā)現(xiàn)紅色、藍(lán)色單元與綠色單元的比例為1:1:2，這是由于CCD本身材質(zhì)的光敏特性導(dǎo)致了其對(duì)綠色光線敏感度不及紅色與藍(lán)色光線，因此通常需要2個(gè)綠色單元配合1個(gè)紅色單元和1個(gè)藍(lán)色單元。經(jīng)過(guò)如圖9所示的光線濾色后，每個(gè)濾鏡對(duì)應(yīng)的電極下都蓄積了相應(yīng)的色彩信息?，F(xiàn)在我們可以想象出經(jīng)過(guò)色彩過(guò)濾后的“數(shù)碼照片”是個(gè)什么樣子了，應(yīng)該是1/4為紅色、1/4為藍(lán)色，剩下的1/2為綠色的“馬賽克”式的圖案，這樣的照片與我們腦海中絢麗多彩的數(shù)碼照片的模樣相差甚遠(yuǎn)，當(dāng)然啦，色彩還原進(jìn)行到這一步僅僅是提取了被攝場(chǎng)景中的紅、綠、藍(lán)三種元素。

圖9

　　在這里筆者先要說(shuō)明的是對(duì)三原色進(jìn)行加權(quán)計(jì)算就不完全是CCD的工作了，此時(shí)影像處理器（Image Engine）也在依照DC內(nèi)置的軟件算法配合CCD對(duì)色彩信息進(jìn)行協(xié)同處理?？上У氖敲繂挝幌袼攸c(diǎn)只能記錄三原色其中一種顏色的數(shù)據(jù)，必須湊足三原色才能進(jìn)行相互間的加權(quán)組合，因此影像處理器就會(huì)通過(guò)某一像素點(diǎn)周圍其他像素的色彩信息來(lái)進(jìn)行色彩還原。參看圖10所示的色彩還原示意圖，以圖中B2像素為例，該像素只留有綠色信息，周圍分別有2個(gè)藍(lán)色像素（B1/B3），2個(gè)紅色像素（A2/C2）和4個(gè)綠色像素（A1/A3/C1/C3），影像處理器便利用周圍這8個(gè)像素點(diǎn)的色彩信息，再結(jié)合B2像素本身的數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境色彩的還原，經(jīng)過(guò)色彩疊加后才能最終形成數(shù)碼照片中的一個(gè)真實(shí)像素。其他像素點(diǎn)的色彩還原同出一轍，可見(jiàn)每一個(gè)實(shí)際像素的生成都有周圍8個(gè)三原色像素點(diǎn)的參與，比如B2本身在被還原的同時(shí)也將色彩信息提供給周圍8個(gè)像素進(jìn)行色彩還原，被加權(quán)計(jì)算了8次，正因如此數(shù)碼照片才會(huì)變得如此靚麗。

圖10

三、補(bǔ)色與原色的差異

　　補(bǔ)色濾鏡技術(shù)早在2001年左右就已經(jīng)淘汰出了DC領(lǐng)域，但直到現(xiàn)在仍有相當(dāng)多的數(shù)碼攝像機(jī)（昵稱DV）仍在使用該技術(shù)進(jìn)行色彩還原，這里就順便介紹兩種技術(shù)間的差異。現(xiàn)在我們都知道了原色濾鏡在色彩還原時(shí)采用了色彩疊加的加權(quán)計(jì)算方式，如圖11的混色關(guān)系圖所示，補(bǔ)色濾鏡則進(jìn)行的是減法運(yùn)算。

圖11

　　由于三原色是進(jìn)行色彩還原的前提條件，所以原色濾鏡直接就可以對(duì)環(huán)境色彩進(jìn)行真實(shí)的還原，而補(bǔ)色濾鏡需要先通過(guò)減色法構(gòu)成三原色之后，才能加權(quán)計(jì)算出更多的真實(shí)像素。加權(quán)計(jì)算的方法和原色濾鏡并無(wú)不同，其過(guò)程筆者就不再贅述了，但最終的色彩還原效果卻有著天壤之別，補(bǔ)色濾鏡還原出的畫(huà)質(zhì)整體對(duì)比度偏低、色彩飽和度不足，完全沒(méi)有原色濾鏡的艷麗效果（圖12）。

圖12

四、噪點(diǎn)與壞點(diǎn)

　　筆者身邊相當(dāng)多數(shù)量的朋友在選購(gòu)DC時(shí)，都對(duì)CCD是否會(huì)出現(xiàn)噪點(diǎn)（Noise Pixel）或壞點(diǎn)（Dead Pixel）心存顧慮，他們通常都會(huì)使用一些所謂的測(cè)試軟件進(jìn)行檢測(cè)，先不討論這類軟件的有效性和測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，光是這樣的測(cè)試方法就已經(jīng)步入了誤區(qū)。

　　所謂壞點(diǎn)就是拍攝后我們看見(jiàn)照片中出現(xiàn)了明顯不亮或是永遠(yuǎn)亮著的點(diǎn)，這主要是在CCD的制造過(guò)程中產(chǎn)生的，也是不可避免的，就像LCD液晶顯示器一樣，無(wú)論怎樣改良生產(chǎn)技術(shù)，總會(huì)生產(chǎn)出一些不良品。無(wú)論怎樣最后被用來(lái)生產(chǎn)DC的CCD都是已經(jīng)在上游廠商那里經(jīng)過(guò)壞點(diǎn)測(cè)試的，因此對(duì)市場(chǎng)中正在銷售的DC進(jìn)行各種各樣的CCD壞點(diǎn)測(cè)試相信都不會(huì)有任何不好的結(jié)果產(chǎn)生。若是在使用了幾年后突然某一天發(fā)現(xiàn)CCD上有壞點(diǎn)產(chǎn)生，這種可能性反而更大一些，這是由于CCD中感光電極的光敏性能降低所致。而噪點(diǎn)如圖13中框住部分所示，則是因DC影像處理時(shí)電流變化頻繁過(guò)熱引起的，故噪點(diǎn)也被稱為熱點(diǎn)（Hot Pixel），尤其在拍攝夜景的時(shí)候特別容易發(fā)現(xiàn)，比如照片中夜晚的天空出現(xiàn)了白點(diǎn)或紅點(diǎn)。很多用戶都認(rèn)為即使是噪點(diǎn)的話，如果每次總處于同一個(gè)位置，那么這個(gè)點(diǎn)還能不能算作是CCD上的壞點(diǎn)呢？參考DC廠商的解釋來(lái)說(shuō)，噪點(diǎn)的位置也有始終處于同一位置的可能，因此我們并不能完全將它當(dāng)作壞點(diǎn)來(lái)對(duì)待，但這也的確是由CCD中某幾個(gè)感光電極的光敏性能降低所造成的。

　　那么對(duì)于這類位置固定的噪點(diǎn)，廠商內(nèi)部都是如何解決的呢？他們會(huì)用專用的寫(xiě)入軟件將CCD上固定的噪點(diǎn)在DC的Fireware程序中標(biāo)注起來(lái)，當(dāng)然我們也可以通俗的理解為屏蔽這個(gè)噪點(diǎn)，那么在色彩還原時(shí)該點(diǎn)有沒(méi)有色彩信息就已經(jīng)不重要了，而是通過(guò)周圍8個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)加權(quán)計(jì)算出該點(diǎn)的真實(shí)像素。噪點(diǎn)只能盡量避免卻不能完全消除，但軟件的屏蔽總歸沒(méi)硬件改善來(lái)得徹底，只有改善DC內(nèi)部集成電路的設(shè)計(jì)，才能盡可能避免噪點(diǎn)的產(chǎn)生，這時(shí)我們可愛(ài)的廠商便開(kāi)發(fā)成功了影像處理器（Image Engine）作為獨(dú)立的影像處理單元，無(wú)疑大大降低了包括CPU在內(nèi)的其他硬件回路的工作負(fù)荷，降低了因發(fā)熱而形成噪點(diǎn)的機(jī)率。