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摄像机的摩尔纹与伪色彩

2015-05-26 22:16 来源:本文作者系索尼中国专业系统集团市场总部 技术总监 王亚明

责编:张明

 

 

摄影摄像专业委员会


【本文作者系索尼中国专业系统集团市场总部 技术总监 王亚明】

    采用单片成像器件的数码相机和数字摄影机、摄像机会出现摩尔纹(Moire pattern)与伪彩色(Pseudo Color,也称为假彩色),两者现象相似,在图像上出现的位置也经常是相同的,很容易混淆。不过,产生摩尔纹与伪彩色的原因并不相同。

摩尔纹

    产生摩尔纹(Moire pattern)的原因是数字成像取样的“串扰”,数字技术中称为“混叠(Aliasing)”。所谓数字成像,就是把模拟的两维图像数字化,具体来说就是把空间和亮度连续变化的图像信号离散化。取样是用有限的取样点把模拟图像在空间上离散化,量化是用有限的灰度阶把每个像素的输出电 平离散化。成像器件上的每个像素就是一个取样点,把取样点的信号按顺序读出,读出速率就是取样频率。

    从频谱的角度来看,用取样频率 Fs 对信号频率 Fp 取样会产生两个结果,Fs+Fp Fs-Fp,就好像调幅 一样,产生了上、下两个“边带”,“下边带”Fs-Fp 就是取样结果,即数字信息。根据尼奎斯特定理,取 样频率 Fs 必须是最高信号频率 Fp 2 倍以上,或者说信号频率 Fp 必须小于取样频率 Fs 1/21/2 Fs 也被称为尼奎斯特极限。在实际设备中,必须用滤波器把信号频率 Fp 限制在取样频率 Fs 1/2 以下 , 才能避免混叠的发生。

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    对成像器件上的像素取样来说情况就很麻烦,因为图像的空间频率很容易就超过了尼奎斯特极限,这 时图像信号的高频也就是细节部分就会与取样结果重合,也就是上面所说的“串扰”或“混叠”,也称为“频 率混叠”,体现在图像上就是所谓的摩尔纹干扰。数字摄像机、摄影机以及数码相机的成像原理相同, 因此在特定的空间频率上都会出现摩尔纹干扰。

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    很明显,减小或消除摩尔纹的方法有两个,一是提高取样频率,对成像器件来说就是增加取样点也就 是像素数量,但增加像素数量受到成像器件工艺、宽容度和灵敏度(噪波)性能的制约,因为在成像 器件尺寸不变的情况下像素数量越多每个像素的面积就越小,灵敏度和宽容度就越低,而对图像质量 来说宽容度与像素数量是同等重要的。

    第二个方法是用光学低通滤波器阻止光学图像中高于尼奎斯特极限的空间频率信号进入成像器件,但 光学低通滤波器比电气的低通滤波器更难制作,现有的技术无法制造出具有锐截止特性的光学低通滤 波器,只有平缓截止特性的光学低通滤波器可用。摄像机、摄影机和数码相机产品的成像器件前面都 会设置一个厚度不等的石英玻璃片,这就是光学低通滤波器。

    为了把尼奎斯特极限处的空间频率分量降低到不会产生明显摩尔纹的程度,实际的光学低通滤波器只 能牺牲机器的 MTF(调制传输函数)性能,通俗地说就是使图像更“模糊”。

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    由此可见,在确保宽容度和灵敏度的前提下增加像素数量提高分辨率对减少摩尔纹是非常有利的,因 为分辨率越高产生摩尔纹的空间频率越高,光学低通滤波器的截止频率就可以更高,光学低通滤波器 对 MTF 性能的影响越小,这也是 4K 摄影机的性能优于高清摄像机的原因之一。

    最新的高端全画幅数码相机如莱卡M9、尼康D800E和索尼RX1R都采用了无光学低通滤波器的设计, 在增加成像器件像素数量的同时取消了成像器件前面的光学低通滤波器,采用后期软件处理的方法减 轻摩尔纹干扰,提高了 MTF,为改善数字图像质量提供了新的思路,不过目前市场上还没有应用类似 技术的摄像机和摄影机产品。

    不用上述空间频率的解释,用物理的方法也可以再现摩尔纹干扰的现象。想象把两个孔洞密度相近的 筛子重合在一起对着光的情况,当两个筛子处于某个恰好的相对位置时就会看到光线在筛子孔之间的 干扰现象,只有当其中一个筛子的孔洞足够密集时这种干扰才能够忽略不计。

伪彩色

    产生伪彩色的原因是拜尔滤色片 RGB 像素位置空间不同,是单片彩色成像器件特有的。在使用 3 片成 像器件的分色棱镜系统中,经棱镜折反射后同一像素的 RGB 基色分量都映射在相同的空间位置上, RGB 完全重合,不会出现伪彩色。

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    单片成像器件拍摄彩色图像时必须在每个像素上覆盖彩色滤色片,每个像素只能接受 RG、或 B 中 的一种基色,最常用的滤色片是拜尔(Bayer Pattern)。

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    因为拜尔滤色片的每个像素只能产生 RG B 中的一种基色信号,该像素位置上的其它 2 个基色信 号就只能用 De-Bayer 也就是“去拜尔”的方法运算出来。De-Bayer 本质上是 RGB De-Mosaic,即用内 插运算或复制的方法“去马赛克”,把没有拍摄到 RGB 像素“填充”出来。

 

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    拜尔滤色片 RGB 基色像素不在相同的空间位置上,这种像素结构在拍摄黑白交界的边缘区域时会缺少 RG B。而 W(白)= R+G+B,缺少任何一种基色,经过 De-Bayer 运算后都会出现拍摄对象并不 存在的伪彩色。

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    伪彩色出现的位置和现象与摩尔纹相似,两者很容易混淆,但产生的原因不同。

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