01 濾光原理

講解這一切知識(shí)之前，我們先來說說一個(gè)最基本的概念：濾光。

在之前的文章里我們說過，相機(jī)的圖像傳感器實(shí)際上記錄的是每個(gè)像素的光強(qiáng)信息。而在傳感器之前都會(huì)有一個(gè)Bayer Filter對(duì)可見光進(jìn)行過濾，保證傳感器上的每個(gè)像素點(diǎn)記錄的都是單個(gè)顏色的信息。

這個(gè)Bayer Filter就是用來濾光的。

眾所周知，我們看到的五顏六色的世界的每一種顏色，實(shí)際上是由紅綠藍(lán)三原色光按照一定比例組合而成的。（可以參考我前面介紹三原色的文章）

而光線通過濾光片后，不符合濾光片顏色要求的光線會(huì)被過濾，只通過符合要求的光線。

例如，白光分別通過RGB濾光，就會(huì)只留下紅光、綠光和藍(lán)光的部分。

而黃光（綠光加紅光）通過綠色濾光，只會(huì)留下綠光的部分，紅光的部分會(huì)被過濾掉。

濾光除了只能通過某個(gè)顏色的光之外，還有個(gè)很重要的影響因素，就是會(huì)影響光強(qiáng)。

這個(gè)很好理解，拿白光舉例子，白光是RGB組合成的，過濾掉其中一種或多種顏色的分量，剩下的光強(qiáng)肯定低于一開始的入射光強(qiáng)。過濾掉的顏色越多，對(duì)光強(qiáng)影響越大。

總結(jié)一下。

1.濾光會(huì)過濾掉入射光中某部分光線。

2.過濾掉的光線越多，光強(qiáng)衰減越嚴(yán)重。

02 RGGB傳感器

這種傳感器一般以4個(gè)像素為一組，分別記錄2個(gè)像素的綠光，1個(gè)像素的紅光和1個(gè)像素的藍(lán)光。

這種傳感器是基于人眼成像的原理來設(shè)計(jì)的。每一組傳感器記錄的RGB的比例為1:2:1，對(duì)應(yīng)人眼對(duì)綠光的敏感程度更強(qiáng)，因此需要記錄更多的綠色。

同時(shí)，由于這種算法直接記錄的是RGB三原色的分量，在后期Demosaic獲取圖像的時(shí)候，算法也會(huì)比較方便。

03 CYYM傳感器

除了RGGB之外，還有其他的傳感器。

這里我們先說說CYYM。

看了三原色那篇文章的朋友應(yīng)該知道，CYYM是青色、黃色、黃色和品紅色四種顏色的縮寫。

這種濾光模式的排布和上面說的RGGB有點(diǎn)像，一個(gè)像素組（4個(gè)像素）中，有一個(gè)青色，兩個(gè)黃色和一個(gè)品紅色。

從這個(gè)圖里我們可以看到，這種濾光模式下，青色只過濾掉了紅色、黃色只過濾掉了藍(lán)色、品紅只過濾掉了綠色。

我們可以看到，這種傳感器的排布方式接受到的RGB光比為3:3:2，接收到的光強(qiáng)比RGGB要高。而接收到的光強(qiáng)越強(qiáng)，暗光下的拍攝效果就越好。

不過，由于這種排列方式在Demosaic的時(shí)候，還需要將CMY的光強(qiáng)信息計(jì)算并分解成RGB信息，才能得到RGB圖。

這樣的算法就需要比較大的運(yùn)算量了，所以很少有使用這種排布的相機(jī)。

04 RYYB傳感器

相對(duì)三原色RGB而言，剩下的顏色越接近RGB，做Demosaic解出RGB的難度就越低。

但是剩下的顏色越接近RGB說明被過濾掉的光線越多，傳感器的感光能力就越低。

因此，濾光方式的選擇要兼顧Demosaic算法的難度和濾光時(shí)帶來的光線損失。

這就有了RYYB傳感器，用兩個(gè)黃色代替兩個(gè)綠色。

這種情況下，三種顏色分量的進(jìn)光量變成了R:G:B = 3:2:1，感光量增加，暗光環(huán)境下的拍攝效果得到顯著提升。

在Demosaic的時(shí)候，雖然沒有純粹的G通道數(shù)據(jù)，但是也可以通過一定的算法算出來。尤其是隨著芯片處理能力的進(jìn)一步提升，這樣的算法也更有可能落地到一些拍照設(shè)備上。

除此之外，還有其他形式的傳感器排列，例如RGBW（W是白色，感應(yīng)完整的亮度信息）等，如下圖所示，

05 灰度傳感器

那如果我們完全不做濾光，直接接收所有可見光譜成像，會(huì)怎么樣呢？

之前我們說過，傳感器本身接受到的只有光強(qiáng)信息，通過不同顏色的濾光得到不同顏色的光強(qiáng)信息后，才能通過差分算出RGB顏色分量的信息。

沒有濾光的情況下，沒有色彩差分只有光強(qiáng)信息，得到的就是灰度圖。

這種情況下，進(jìn)光量最大（沒有濾光），但是缺點(diǎn)也很明顯，就是沒有顏色。

06 總結(jié)

本文簡(jiǎn)單說了一下不同傳感器的濾光排布方式。

要得到彩色圖像，就需要獲取不同顏色的光強(qiáng)信息。通過對(duì)光強(qiáng)信息的解算，得出最后圖像上每個(gè)點(diǎn)的RGB顏色分量。

而要獲取這些信息，就需要通過濾光的方式，得到不同顏色的光強(qiáng)。濾光的條件越嚴(yán)苛，光強(qiáng)的損失就越大。

但是顏色信息越單純（指相對(duì)于純色RGB來說），就越方便通過Demosaic得到RGB圖像。

不同的傳感器濾光陣列排布，就是在濾光強(qiáng)度和Demosaic難度之間進(jìn)行一個(gè)取舍。

當(dāng)然還有一種別的解決方式，就是采用三個(gè)傳感器：

缺點(diǎn)很明顯，相機(jī)的體積和成本一下子就上去了。除此之外，這種成像方式要求三塊傳感器的像素要對(duì)齊，也增加了制造的成本和難度。