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什麼是 RGGB 色彩濾鏡 ?任何一台相機,最重要的元件,同時也是畫質最大的瓶頸 – 感光元件,而感光元件上有一片「RGGB 色彩濾鏡」,透過 RGGB 色彩濾鏡,能補捉光線的波長,透過相鄰象素所補捉的色彩波長資訊,進行「去馬賽克 Demosaicing」,以得到一張全色彩影像,本篇教攝影來淺談這片色彩濾色片。

 

= 什麼是 RGGB 色彩濾鏡 =

.RGGB 拜爾濾色片

RGGB 色彩濾鏡

圖01.

感光元件功用,只是在記錄「光線明暗強弱」資訊,並不包含色彩資訊,所以需要在感光元件上鋪上一層帶有顏色的濾色片,如上圖所示,上方有藍、綠、紅相間的濾色片,這個濾色片結構,我們稱為 RGGB 拜爾濾色片

而這拜爾濾色片,包含了 25% 的藍、25% 的紅,以及 50% 的綠所組成矩陣結構,所以稱為 RGGB 濾色片。

 

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圖02.

不同顏色的濾色片,能吸收對應的光線顏色,最後將光線資訊記錄在感光元件上的像素上,使得每一個感光像素,除了記錄光線強弱資訊外,同時也記錄一種顏色資訊

 

.去馬賽克演算 Demosaicing

圖03.

每一個像素只能記錄一種顏色,又該如何去計算出其它各種顏色? 接著就會進行所謂的「去馬賽克 Demosaicing」的複雜演算,利周邊的顏色資訊 (以及亮度資訊),來計算出其它各種色彩,以得到一張「全色彩影像」。

 

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圖04

我們從 Photoshop 檢色器,就能發現,我們所見的任何一種顏色,都是透過 RGB 三種不同的顏色加以混色所產生出來的顏色,不同的顏色,R、G、B 的比例不同。

 

.RGGB 色彩濾鏡小結

到這裡為止,我們對於「感光元件與色彩」,前面提到三點,到這裡稍微幫大家條列一下我們已經知道的部分。

  • 感光元件:記錄光線明暗資訊
  • RGGB 色彩濾鏡:記錄光線顏色
  • 去馬賽克:透過周邊顏色資訊,演算來得到全色彩影像

初步了解如何將真實世界的各種色彩,轉化成數位影像的基本過程後,下一個的問題是 – 為何是 RGGB ,為何是紅、藍、綠三種顏色,以及又為何是二個綠色,而非二種紅色或是藍色?

 

= 色彩濾鏡與人眼結構 =

.淺談人眼結構

圖05.

整個感光元件組成,都是為了「模擬人眼」的結構而設計,而我們人眼的視網模有數層結構,其中一層為「感光層」,裡頭有二個重要的細胞,分別是「視錐細胞 Cone Cell」以及「視桿細胞 Rod Cell」。

 

RGGB 色彩濾鏡

圖06.

視錐細胞 Cone Cell,外觀上像是圓錐狀,用來辨別色彩作用,具有紅、綠、藍三種不同形態;而視桿細胞 Rod Cell 外觀則呈現長柱狀,主要則是用來辨識明、暗變化之作用。

所以我們可以這麼類比 – 感光元件用來記錄色彩亮度,相當於我們人眼的視桿細胞 Rod Cell,而 RGGB 色彩濾色片,則是相當於人眼的視錐細胞 Cone Cell。

 

圖07.

人眼光譜靈敏度,對應了藍、綠、紅三種不同感應色的視錐細胞 Cone Cell,但這裡要稍稍留意,藍視錐細胞並非僅能感應藍色 (只能說是對藍色最敏感) ,同時也能感應到綠色,以及部分的紅色。

以此類推,綠視錐細胞則能感應部分藍色,同時也能感應多數紅色;紅視錐細胞也能感應多數綠色,以及部分的藍色,也因為三色視錐細胞皆能感應各色彩,才能記錄真實世界所有色彩。

 

.人眼結構與色彩濾色片

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RGGB 色彩濾鏡

圖08.

從人眼色彩靈敏度來看,我們對於「綠色」的感應最為靈敏,所以色彩濾色片設計,「RGGB」採用了二個 Green 也是較能對應、模擬出人眼對光線色彩、強弱的反應加以記錄。

 

圖09.

人眼色彩靈敏度光譜來看,透過 RGB 三原色來推出真實世界色彩,而相機色彩濾色片 RGGB,二個 G 更能記錄更多的色彩波長,以及亮度資訊,更能補捉、還原越多真實世界的色彩資訊。

 

= 一切為了模擬人眼 =

RGGB 色彩濾鏡

圖10.

數位相機感光元件,以及 RGGB 色彩濾鏡設計,都是為了模擬人眼視網膜的感光層,記錄光線明暗的「感光元件 = 視桿細胞 Rod Cell」,以及記錄不同波長的「RGGB 色彩濾鏡 = 視錐細胞 Cone Cell」,都是為了記錄真實世界豐富的光線、色彩,再透過「去馬賽克演算 Demosaicing」,加以還原真實全色色彩。

數位相機發展至今也將近半個世紀,大多皆以 RGGB 拜爾濾色片矩陣式排列為主,但也發展出不同於 RGGB 拜爾濾色片矩陣式排列,如富士相機「EXR」濾色陣列Foveon X3 感光元件,儘管不同濾色片的設計與排列,最終也是為了模擬人眼結構,以創造更好的光線補捉與還原。

本篇文章對於「感光元件」「濾色片」以及「人眼結構」之間關係,簡單分享到這裡,讓你能對一張照片中最基本的 Pixel 像素之顏色,有著更多一點認識。