新专利让普通图像传感器性能超越适马Foveon X3

　　前言：色彩滤镜的发明大大降低了照相摄像设备的成本，简化了结构，为照相设备的普及带来了积极的作用，但是由于色彩滤镜的带来的画质损失，也让消费者倍感苦恼。现在新公布的色彩滤镜专利号称解析度可以接近分层记录的适马Foveon X3，同时对比拜尔滤镜技术的相机感光性能翻倍。

　　一、色彩滤镜的进化

　　1973年拜尔阵列首个单芯片彩色解决方案，首次在单个感光元件上实现彩色影像的记录。

　　虽然采用单CCD的传感器的解决方案效果上不如3CCD，但是由于结构大幅简化，成本降低使得单CCD产品在市场上胜过了3CCD。

　　2012年富士X-trans，色彩滤镜四十年来首次成功的改变;减少摩尔纹，并通过去除低通滤镜，提高了解析度。

　　2015年RGBW结构色彩滤镜，增加无色彩滤镜像素，改进了高感光性能。

　　RGBW方式的色彩滤镜去掉了拜尔阵列每个子单元的一个绿色像素的滤镜，采用了无色滤镜，让所有颜色的光都可以照射到感光元件上，增加了感光元件的光敏感性。

　　二、新一代孤岛式的色彩滤镜解析

　　近期披露的一个新专利(申请号：201510076603.4)给传统的单层感光元件带来了新的活力，第一次让单层感光元件有了超越分层记录感光元件的可能。

　　这种新式滤镜原理是基于人眼视网膜结构，现代医学的进步让人类了解到了人眼记录信息的模式。人眼视网膜中有两种感光细胞，分别是视杆细胞和视锥细胞;其中视杆细胞只能识别亮度信息，视锥细胞有三种类型，使之可以分辨色彩;而记录色彩的细胞数量只有记录亮度细胞的二十分之一。

　　而这些感受色彩信息的视锥细胞零星分散在视杆细胞中，所以人眼对高分辨率色彩的感知并不如明暗信息这样敏感。比如人眼可以看清黑白的的小字，但换成彩色的人眼就力不从心了，简单的说就是人眼对高分辨率彩色信息的识别能力不高，而对黑白影像信息非常敏感。

　　在了解了人眼的工作机理后，你会发现视网膜中感受色彩的细胞只有几百万，而感受亮度的细胞却有1.2亿。基于这个原理，重新改进的色彩滤镜仅有少部分像素覆盖色彩滤镜，大部分像素采用透明滤镜。那么少量采样的色彩信息能否满足挑剔的人眼呢?

　　实际上这个原理早有应用，人们常用的图像以及视频的储存方式无论是模拟还是数字，压缩方式均是有损压缩，而损失掉的信息则正是色彩信息。

　　三、传统色彩滤镜的缺憾

　　通过下面的试验了解一下拜尔滤镜对图像解析度的影响：

　　这张照片是无忌网友去掉了相机cmos中心区域部分色彩滤镜后的样子，实际拍照效果如下：

　　可以看到部分去掉色彩滤镜后中央的亮度明显有了一个提升，再看看细节;

　　这是通过mono算法后的图像，可以看到左侧去掉色彩滤镜的部分解析度要高于右侧覆盖色彩滤镜的部分。

　　通过这个实验得到以下结论：

　　1、为了获取彩色图像，色彩滤镜降低了图像传感器的感光性。

　　2、为了获取彩色图像，色彩滤镜同时降低了图像的解析度。

　　四、新色彩滤镜模拟演示

　　透过色彩滤镜的光进入感光元件(CCD或CMOS)得到的数据只是灰度数据，如果用算法来区分三基色会得到下面的图像，可以看到拜尔阵列就像用放大镜观察显示器

　　栅格化明显，相同颜色像素的分离导致解析度下降，而新式滤镜虽然大部分区域没有色彩，但正是由于没有色彩滤镜的干扰使解析度非常高。

　　原始图像经过算法处理后，左侧拜尔滤镜马赛克算法处理后色彩丰富，但是解析度较差。

　　而右侧新滤镜中虽然对色彩采样的比例大大低于传统的拜尔滤镜，但是由于人眼视网膜的特殊结构，人们并不能区别两幅图像色彩分辨率的差异，而受益于黑白解析度的提高。这种滤镜的解析度远超拜尔阵列的效果，接近适马X3传感器的表现。

　　新式色彩滤镜优势总结：

　　• 通过上面的演示，可以发现连续的黑白像素可以带来更高的解析力，图像的分辨率虽然没有提升，但最终影像却有类似适马Foveon X3一样的高解析力表现。

　　• 色彩滤镜的作用就是滤除光谱中大部分光只让一定光谱范围的光进入感光元件，这样就带来了大量的损失，2/3的光并不能进入传感器而被白白浪费了。而反观新式色彩滤镜，由于90%的像素并没有覆盖色彩滤镜，所以整体的感光性能大幅提升。

　　附录1

　　如有疑问可以邮件联系作者：zljwws@126.com

　　附录2

　　上面的演示是用没有色彩滤镜的相机，和有色彩滤镜的相机拍摄同一幅画面。得到两张照片，依据上述新的色彩滤镜，提取彩色图像10%的像素和黑白影像90%的像素模拟新式色彩滤镜的效果。

　　演示用到的两台徕卡相机，莱卡的黑白相机M-MONOCHROME ，这个相机没有色彩滤镜，不能显示色彩，只能拍黑白影像，其他所有的参数均和莱卡M9-P一致。

　　同样的全画幅ccd，同样的1850万像素的分辨率，采用同样的镜头拍摄。

　　上述照片来自新摄影徕卡M-Monochrom短评及样张评测中的照片素材：

　　http://dc.nphoto.net/news/2012-08/31/5be2307352a984932.shtml

　　拜尔滤镜下的照片和无色彩滤镜的照片细节差距：

　　虽然像素数量相同，但是拜尔滤镜用去马赛克算法处理过的图像明显更加模糊，而无色彩滤镜的莱卡M-Monochrome虽然没有颜色，但是更清晰。

　　究其原理，是由于彩色图像每个像素都含有红绿蓝三基色信息，而显示每个像素也需要三个子像素。

　　其中每个像素包含三个子像素

　　而拜尔色彩滤镜每个像素只有一种颜色，要确定每个像素的颜色都需要借助附近像素的色彩信息才能完成，这就是说拜尔阵列相机每个像素只相当于一个真正像素的子像素。而一个1850万像素的彩色照片需要5550万个子像素信息，这也就是为什么1850万像素的彩色影像比黑白影像模糊的原因。