Tại sao máy ảnh không cung cấp nhiều hơn 3 kênh màu? (Hay là họ?)

Hiện nay, hầu hết (tất cả?) Máy ảnh thương mại có thể thu ánh sáng theo ba kênh màu: đỏ, xanh lá cây và xanh dương. Đối với tôi, dường như sẽ rất hữu ích khi có một máy ảnh có dải phổ và độ phân giải lớn hơn, và vì vậy tôi tự hỏi tại sao máy ảnh không có sẵn mà chụp nhiều hơn ba kênh màu.

Ý tôi là chính xác là gì?

Có một số truy vấn trong các bình luận (kể từ khi bị xóa) về ý tôi muốn nói, vì vậy tôi muốn đưa ra một lời giải thích tốt hơn. Ánh sáng nhìn thấy được từ các bước sóng khoảng 390-700nm. Có vô số bước sóng ở giữa hai điểm cuối này, nhưng mắt có khả năng phân biệt chúng rất hạn chế, vì nó chỉ có ba bộ cảm biến quang màu. Các đường cong phản ứng cho những điều này được thể hiện trong phần (a) của hình dưới đây. ( Phiên bản lớn hơn .) Điều này cho phép chúng ta nhìn thấy các màu khác nhau tùy thuộc vào tần số ánh sáng, vì ánh sáng tần số thấp sẽ có nhiều ảnh hưởng đến các thụ thể màu xanh và ánh sáng tần số cao sẽ có tác dụng nhiều hơn với các thụ thể màu đỏ.

Một cảm biến kỹ thuật số trong máy ảnh hoạt động bằng cách có các bộ lọc ở phía trước các pixel của nó và thường có ba loại bộ lọc. Chúng được chọn với các đường cong phản ứng càng gần càng tốt để hình (a) ở trên, để mô phỏng những gì mắt người nhìn thấy.

Tuy nhiên, về mặt công nghệ, không có lý do gì chúng ta không thể thêm loại bộ lọc thứ tư, ví dụ như có một đỉnh ở giữa màu xanh lam và màu xanh lá cây, như trong hình (b). Trong phần tiếp theo tôi sẽ giải thích lý do tại sao điều đó sẽ hữu ích cho việc xử lý hậu kỳ các bức ảnh, mặc dù nó không tương ứng với bất cứ thứ gì mắt có thể nhìn thấy.

Một khả năng khác là thêm các kênh bổ sung trong vùng hồng ngoại hoặc tia cực tím, như thể hiện trong hình (c), mở rộng phạm vi phổ của máy ảnh. (Điều này có thể sẽ khó khăn hơn về mặt kỹ thuật.)

Cuối cùng, khả năng thứ ba sẽ là phân chia dải tần số thậm chí tốt hơn, tạo ra một máy ảnh có độ phân giải phổ cao. Trong phiên bản này, các kênh RGB thông thường sẽ phải được xây dựng trong phần mềm từ dữ liệu chi tiết hơn mà cảm biến tạo ra.

Câu hỏi của tôi là về lý do tại sao máy ảnh DSLR thường không cung cấp bất kỳ tùy chọn nào trong số này ngoài (a) và liệu có máy ảnh nào có thể cung cấp bất kỳ tùy chọn nào khác không. (Tôi đang hỏi về loại máy ảnh bạn sử dụng để chụp ảnh - Tôi biết có những dụng cụ khoa học cung cấp các loại tính năng này.)

Tại sao điều này sẽ hữu ích?

Tôi đã chơi xung quanh với việc chỉnh sửa ảnh đen trắng, từ ảnh màu được chụp bằng máy ảnh DSLR của tôi. Tôi thấy quá trình này thú vị bởi vì khi chỉnh sửa ảnh B & W, ba kênh RGB chỉ trở thành nguồn dữ liệu về cảnh. Màu sắc thực tế mà chúng đại diện theo cách gần như không liên quan - kênh màu xanh rất hữu ích vì các vật thể trong cảnh khác nhau về lượng ánh sáng chúng phản xạ trong phạm vi bước sóng đó và thực tế là nó tương ứng với những gì mắt người nhìn thấy "màu xanh" ít liên quan hơn nhiều.

Có ba kênh mang lại sự linh hoạt trong việc kiểm soát mức độ phơi sáng của các khía cạnh khác nhau của hình ảnh B & W cuối cùng. Nó xảy ra với tôi trong khi làm điều này rằng một kênh màu thứ tư sẽ còn linh hoạt hơn nữa, và vì vậy tôi tự hỏi tại sao một thứ như vậy không tồn tại.

Các kênh màu bổ sung sẽ hữu ích cho chụp ảnh màu cũng như đen và trắng, và vì lý do tương tự. Bạn chỉ đang xây dựng từng kênh RGB giống như cách bạn xây dựng hình ảnh B & W bây giờ, bằng cách kết hợp dữ liệu từ các kênh khác nhau biểu thị ánh sáng của các dải tần số khác nhau. Đối với hầu hết các mục đích, điều này sẽ được thực hiện tự động trong phần mềm, nhưng nó sẽ cung cấp sự linh hoạt hơn rất nhiều về các tùy chọn xử lý hậu kỳ.

Như một ví dụ đơn giản về cách điều này có thể hữu ích, chúng ta biết rằng thực vật rất phản xạ trong vùng cận hồng ngoại. Thực tế này thường được sử dụng để tạo ra những bức ảnh hiệu ứng đặc biệt nổi bật, trong đó thực vật có màu trắng sáng. Tuy nhiên, nếu bạn có hình ảnh hồng ngoại là kênh thứ tư trong phần mềm chỉnh sửa của mình, thì nó sẽ có sẵn để xử lý hình ảnh màu, ví dụ như bằng cách thay đổi độ phơi sáng của tất cả các cây trong ảnh, trong khi chỉ để lại các vật thể phản xạ IR.

Trong trường hợp hồng ngoại, tôi hiểu rằng có những lý do vật lý tại sao khó tạo ra cảm biến không nhạy cảm với IR, do đó các cảm biến kỹ thuật số thường có bộ lọc chặn IR ở phía trước. Nhưng có thể chế tạo một cảm biến có độ phân giải phổ cao hơn trong phạm vi nhìn thấy, điều này sẽ cho phép các loại lợi thế tương tự.

Mọi người có thể nghĩ rằng tính năng này sẽ ít hữu ích hơn trong thời đại xử lý kỹ thuật số, nhưng tôi thực sự nghĩ rằng nó sẽ trở nên phổ biến vào khoảng thời gian này. Các giới hạn của những gì bạn có thể thực hiện bằng kỹ thuật số được đặt theo dữ liệu có sẵn, vì vậy tôi sẽ tưởng tượng rằng một lượng dữ liệu quang phổ lớn hơn sẽ cho phép các kỹ thuật xử lý hoàn toàn không tồn tại nếu không có nó.

Câu hỏi

Tôi muốn biết lý do tại sao tính năng này dường như không tồn tại. Có một thách thức kỹ thuật lớn trong việc chế tạo một cảm biến có bốn kênh màu trở lên, hay là lý do nhiều hơn để làm với việc thiếu nhu cầu cho một tính năng như vậy? Các cảm biến đa kênh có tồn tại như một nỗ lực nghiên cứu không? Hay đơn giản là tôi sai về việc nó sẽ hữu ích như thế nào?

Ngoài ra, nếu không tồn tại (hoặc có trong quá khứ), máy ảnh nào đã cung cấp cho nó, và công dụng chính của nó là gì? (Tôi rất thích xem hình ảnh ví dụ!)

Tại sao máy ảnh không cung cấp nhiều hơn 3 kênh màu?

Nó tốn nhiều chi phí hơn để sản xuất (sản xuất nhiều hơn một loại bất cứ thứ gì có giá cao hơn) và mang lại lợi thế không thể bán được trên thị trường so với CFA của Bayer.

(Hay là họ?)

Họ đã làm. Một số máy ảnh bao gồm cả những máy bán lẻ có bộ lọc RGBW (RGB + White) RGBE (RGB + Emerald), CYGM (Cyan Yellow Green Magenta) hoặc CYYM (Cyan Yellow Yellow Magenta).

Đối với tôi, dường như sẽ rất hữu ích khi có một máy ảnh có dải phổ và độ phân giải lớn hơn, và vì vậy tôi tự hỏi tại sao máy ảnh không có sẵn mà chụp nhiều hơn ba kênh màu.

Số lượng kênh không liên quan trực tiếp đến phạm vi phổ.

Có một thách thức kỹ thuật lớn trong việc chế tạo một cảm biến có bốn kênh màu trở lên, hay là lý do nhiều hơn để làm với việc thiếu nhu cầu cho một tính năng như vậy?

Việc thiếu nhu cầu là yếu tố quyết định.

Ngoài ra, bộ lọc CYYM / CYGM gây ra nhiễu màu tăng vì chúng yêu cầu các phép toán số học với hệ số lớn trong quá trình chuyển đổi. Độ phân giải độ chói có thể tốt hơn mặc dù, với chi phí của nhiễu màu.

Các cảm biến đa kênh có tồn tại như một nỗ lực nghiên cứu không? Hay đơn giản là tôi sai về việc nó sẽ hữu ích như thế nào?

Bạn đã sai trong phạm vi phổ đó sẽ lớn hơn với nhiều kênh hơn, bạn đúng trong kênh thứ tư đó cung cấp một số kỹ thuật xử lý thú vị cho cả màu sắc và đơn sắc.

Ngoài ra, nếu không tồn tại (hoặc có trong quá khứ), máy ảnh nào đã cung cấp cho nó, và công dụng chính của nó là gì?

Ví dụ, Sony F828 và Nikon 5700, họ và một số người khác thậm chí còn có sẵn máy cũ. Chúng là những máy ảnh thông dụng.

Một điều thú vị nữa là phạm vi quang phổ bị giới hạn không chỉ bởi gương nóng có trong hầu hết các máy ảnh mà còn với độ nhạy của các điốt quang tạo nên cảm biến. Tôi không biết chính xác loại photodiodes nào được sử dụng trong máy ảnh của người tiêu dùng nhưng đây là một biểu đồ mẫu cho thấy sự hạn chế của chất bán dẫn:

Về phần mềm có thể được sử dụng để trích xuất kênh thứ tư: có lẽ dcrawnhưng nó nên được sửa đổi và biên dịch lại để trích xuất chỉ một kênh.

Có một ma trận 4x3 cho F828 trong dcraw.cđó sử dụng kênh thứ tư. Đây là một ý tưởng: { 7924,-1910,-777,-8226,15459,2998,-1517,2199,6818,-7242,11401‌​‌​,3481 }- đây là ma trận ở dạng tuyến tính, rất có thể mọi giá trị thứ tư đại diện cho Ngọc lục bảo. Bạn biến nó thành thế này: { 0,0,0,8191,0,0,0,0,0,0,0,0 }(Tôi không biết nên có số nào thay vào đó 8191, hãy phỏng đoán), biên dịch lại và hình ảnh đầu ra sẽ nhận được kênh Emerald sau khi khử màu trong kênh màu đỏ (nếu tôi hiểu chính xác các nguồn).

Một vài lưu ý từ kỹ sư hệ thống quang học thời gian dài này. Đầu tiên, có những thứ được gọi là máy ảnh "hyperspectral" sử dụng cách tử hoặc tương đương để phá vỡ ánh sáng tới thành hàng chục hoặc thậm chí vài trăm kênh (bước sóng). Những thứ này như bạn có thể tưởng tượng không được sử dụng, hoặc hữu ích, để tạo ra các bức ảnh màu mỗi lần, nhưng rất tốt để phân biệt các vạch phổ dải hẹp phát ra, hoặc phản xạ, từ các vật liệu cụ thể. các nhà địa chất, ví dụ, sử dụng chúng để xác định các mỏ khoáng sản bằng cách sử dụng máy ảnh siêu âm gắn trong máy bay.

Tiếp theo, có một sự khác biệt rất lớn giữa các màu được tạo ra bởi mỗi bước sóng đơn (năng lượng photon) và màu sắc mà mắt chúng ta cảm nhận được. Chúng tôi có ba, hoặc cho một số người may mắn, bốn hình nón khác nhau, mỗi hình nón có đường cong phản ứng quang phổ khác nhau. Bạn có thể tìm thấy những đường cong này trên mạng, bao gồm cả hình ảnh đầu tiên trên trang Wikipedia đó. Tiếp theo, phạm vi màu sắc / màu sắc mà chúng ta cảm nhận bao trùm toàn bộ bản đồ , trong khi màu sắc được tạo ra bởi bất kỳ bước sóng photon đơn lẻ nào tạo thành một đường trong khu vực của bản đồ đó.

Bất kỳ số lượng thí nghiệm nào, bao gồm một số thí nghiệm ngoạn mục do Edwin Land điều hành, đã chỉ ra rằng trộn RGB là đủ để cho phép mắt tái tạo lại tất cả các màu thị giác có thể. (Trên thực tế, hóa ra chỉ có hai màu cộng với đại diện màu xám của người khác sẽ đủ. Quá trình xử lý quang học trong não thực sự kỳ lạ)

Cảm biến camera RGB rất phổ biến vì chúng tái tạo tầm nhìn của con người

Đó là những gì hầu hết mọi người cần - làm cho những bức ảnh trông giống như những gì chúng ta thấy.

Thay thế các chuỗi con RGB bằng nhiều loại bộ lọc khác nhau để phân biệt nhiều băng tần hơn với độ phân giải phổ tốt hơn sẽ hoạt động nhưng:

• chỉ cho một mục đích duy nhất . Mọi người đều cần các bộ lọc RGB gần giống nhau để tạo ra những bức ảnh đẹp, nhưng không giới hạn số lượng dải quang phổ có thể hữu ích cho ai đó. Bạn không thể tạo ra một máy ảnh phổ thông theo cách này.

• nó sẽ làm giảm độ nhạy tổng thể của cảm biến . Mỗi pixel con nhất định là vô dụng đối với tất cả ánh sáng ngoại trừ dải hẹp mà nó chấp nhận. Nhiều bộ lọc hơn = lãng phí nhiều ánh sáng hơn.

Vì vậy, thay vì tạo các cảm biến chuyên dụng hẹp, tốt hơn là nên có cảm biến mà không cần bất kỳ bộ lọc tích hợp nào, và chỉ cần trao đổi các bộ lọc trong quá trình thu nhận hình ảnh. Bằng cách này, toàn bộ khu vực cảm biến được sử dụng với mỗi bộ lọc, không chỉ một phần nhỏ có pixel phụ phù hợp.

Có ba cảm biến màu trong mắt người. Hồ sơ quang phổ của họ là rộng và họ chồng chéo. Chúng từng gửi tín hiệu thần kinh đến não nơi đầu vào được hiểu là màu. Nhận xét trong câu trả lời trước về việc xử lý trong não là kỳ lạ là chính xác. Đây là trường hợp chỉ cần 3 kích thích cho một màu nhất định. Nhìn vào bài viết Wikipedia về tầm nhìn màu sắc để biết thêm chi tiết.

Đã có nhiều máy ảnh quang phổ với các kênh bổ sung cho ánh sáng hồng ngoại và tia cực tím nhưng không phải là một sản phẩm tiêu dùng.