ทำไมกล้องไม่ให้มากกว่า 3 ช่องสี? (หรือพวกเขา?)


39

ปัจจุบันกล้องที่มีวางจำหน่ายทั่วไปส่วนใหญ่ (ทั้งหมด?) จับแสงในสามช่องสี ได้แก่ สีแดงสีเขียวและสีน้ำเงิน ดูเหมือนว่าสำหรับฉันแล้วมันจะมีประโยชน์มากที่จะมีกล้องที่มีช่วงสเปกตรัมและความละเอียดที่มากขึ้นและดังนั้นฉันจึงสงสัยว่าทำไมกล้องไม่สามารถใช้งานได้ที่จับมากกว่าสามช่องสี

ฉันหมายถึงอะไรกันแน่?

มีข้อสงสัยบางอย่างในความคิดเห็น (ตั้งแต่ถูกลบ) เกี่ยวกับสิ่งที่ฉันหมายถึงดังนั้นฉันอยากจะให้คำอธิบายที่ดีขึ้น ช่วงแสงที่มองเห็นได้มีความยาวคลื่นประมาณ 390-700nm มีจำนวนความยาวคลื่นไม่สิ้นสุดระหว่างจุดปลายทั้งสองนี้ แต่ตามีความสามารถ จำกัด อย่างมากในการแยกแยะความแตกต่างเนื่องจากมีเซลล์รับแสงเพียงสามสีเท่านั้น เส้นโค้งการตอบสนองสำหรับสิ่งเหล่านี้จะแสดงในส่วน (a) ของรูปด้านล่าง ( เวอร์ชั่นที่ใหญ่กว่า ) สิ่งนี้ช่วยให้เราเห็นสีที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงเนื่องจากแสงความถี่ต่ำจะมีผลต่อตัวรับสีน้ำเงินมากขึ้นและแสงความถี่สูงจะมีผลต่อตัวรับสีแดงมากขึ้น

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

เซ็นเซอร์ดิจิตอลในกล้องทำงานโดยมีตัวกรองอยู่ด้านหน้าพิกเซลและมักจะมีตัวกรองสามประเภท สิ่งเหล่านี้จะถูกเลือกด้วยเส้นโค้งการตอบสนองที่ใกล้เคียงที่สุดเพื่อจัดทำ (a) ด้านบนเพื่อเลียนแบบสิ่งที่สายตามนุษย์เห็น

อย่างไรก็ตามการพูดด้วยเทคโนโลยีไม่มีเหตุผลว่าทำไมเราไม่สามารถเพิ่มประเภทตัวกรองที่สี่ได้ตัวอย่างเช่นมีจุดสูงสุดระหว่างสีฟ้าและสีเขียวดังแสดงในรูปที่ (b) ในส่วนถัดไปฉันอธิบายว่าทำไมสิ่งนี้จึงมีประโยชน์สำหรับการปรับแต่งภาพถ่ายภายหลังแม้ว่ามันจะไม่ตรงกับสิ่งที่สายตามองเห็น

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือการเพิ่มช่องสัญญาณเพิ่มเติมในอินฟาเรดหรืออุลตร้าไวโอเลตดังแสดงในรูปที่ (c) ซึ่งเป็นการขยายช่วงสเปกตรัมของกล้อง (นี่น่าจะเป็นความท้าทายทางเทคนิคมากกว่า)

ในที่สุดความเป็นไปได้ประการที่สามคือการแบ่งช่วงความถี่ให้ละเอียดยิ่งขึ้นสร้างกล้องที่มีความละเอียดสเปกตรัมสูง ในรุ่นนี้ช่อง RGB ปกติจะต้องถูกสร้างขึ้นในซอฟต์แวร์จากข้อมูลที่ละเอียดยิ่งขึ้นที่เซ็นเซอร์ผลิตขึ้น

คำถามของฉันเกี่ยวกับสาเหตุที่กล้อง DSLR ไม่เสนอตัวเลือกเหล่านี้นอกเหนือจาก (a) และมีกล้องที่สามารถให้ผู้อื่นได้หรือไม่ (ฉันถามเกี่ยวกับประเภทของกล้องที่คุณใช้ถ่ายภาพ - ฉันรู้ว่ามีเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ให้คุณสมบัติเช่นนี้)

ทำไมสิ่งนี้ถึงมีประโยชน์

ฉันเล่นกับการแก้ไขภาพถ่ายขาวดำจากการถ่ายภาพสีด้วยกล้อง DSLR ของฉัน ฉันพบว่ากระบวนการนี้น่าสนใจเพราะเมื่อแก้ไขรูปภาพขาวดำช่อง RGB สามช่องก็กลายเป็นแหล่งข้อมูลเกี่ยวกับฉาก สีจริงที่พวกเขานำเสนอนั้นเป็นวิธีที่ไม่เกี่ยวข้องเกือบ - ช่องสีฟ้ามีประโยชน์ส่วนใหญ่เป็นเพราะวัตถุในฉากแตกต่างกันในปริมาณของแสงที่พวกเขาสะท้อนในช่วงความยาวคลื่นนั้นและความจริงที่ว่ามันสอดคล้องกับสิ่งที่ตามนุษย์เห็น "สีฟ้า" มีความเกี่ยวข้องน้อยกว่ามาก

การมีทั้งสามช่องทางให้ความยืดหยุ่นในการควบคุมการเปิดรับมุมมองที่แตกต่างกันของภาพขาวดำขั้นสุดท้าย มันเกิดขึ้นกับฉันในขณะที่ทำสิ่งนี้ช่องสีที่สี่จะให้ความยืดหยุ่นมากยิ่งขึ้นและดังนั้นฉันจึงสงสัยว่าทำไมสิ่งนี้ไม่มีอยู่จริง

ช่องสีพิเศษนั้นจะมีประโยชน์สำหรับการถ่ายภาพสีเช่นเดียวกับขาวดำและด้วยเหตุผลเดียวกัน คุณเพียงแค่สร้างช่องสัญญาณ RGB แต่ละช่องในลักษณะเดียวกับที่คุณสร้างภาพขาวดำตอนนี้โดยการรวมข้อมูลจากช่องสัญญาณต่าง ๆ ที่แสดงถึงแสงในช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน เพื่อจุดประสงค์ส่วนใหญ่จะดำเนินการโดยอัตโนมัติในซอฟต์แวร์ แต่จะให้ความยืดหยุ่นในแง่ของตัวเลือกหลังการประมวลผลมากขึ้น

เป็นตัวอย่างง่ายๆของวิธีนี้อาจเป็นประโยชน์เรารู้ว่าพืชมีการสะท้อนแสงมากในใกล้อินฟราเรด ความจริงนี้มักถูกใช้เพื่อสร้างช็อตเอฟเฟกต์พิเศษที่น่าสนใจซึ่งพืชดูเหมือนจะเป็นสีขาวสว่าง อย่างไรก็ตามหากคุณมีภาพอินฟาเรดเป็นช่องทางที่สี่ในซอฟต์แวร์แก้ไขของคุณมันจะสามารถใช้ในการประมวลผลภาพสีได้เช่นโดยการเปลี่ยนการเปิดรับแสงของพืชทั้งหมดในภาพในขณะที่ปล่อยวัตถุสะท้อนแสง IR น้อยลงเพียงอย่างเดียว

ในกรณีของอินฟาเรดฉันเข้าใจว่ามีเหตุผลทางกายภาพว่าทำไมมันจึงยากที่จะสร้างเซ็นเซอร์ที่ไม่ไวต่อแสงอินฟราเรดดังนั้นเซ็นเซอร์ดิจิตอลมักจะมีฟิลเตอร์ปิดกั้น IR หน้าพวกเขา แต่น่าจะเป็นไปได้ที่จะสร้างเซ็นเซอร์ที่มีความละเอียดสเปกตรัมสูงขึ้นในช่วงที่มองเห็นซึ่งจะทำให้ได้เปรียบในลักษณะเดียวกัน

อาจคิดว่าฟีเจอร์นี้จะมีประโยชน์น้อยลงในยุคของการประมวลผลดิจิตอล แต่จริง ๆ แล้วฉันคิดว่ามันจะเป็นของตัวเองในตอนนี้ ข้อ จำกัด ของสิ่งที่คุณสามารถทำได้ในแบบดิจิทัลนั้นถูกกำหนดโดยข้อมูลที่มีอยู่ดังนั้นฉันจึงจินตนาการว่าข้อมูลสเปกตรัมจำนวนมากจะเปิดใช้งานเทคนิคการประมวลผลที่ไม่สามารถทำได้ถ้าไม่มีมัน

คำถาม

ฉันต้องการทราบว่าทำไมคุณลักษณะนี้จึงไม่มีอยู่จริง มีความท้าทายด้านเทคนิคอย่างมากในการสร้างเซ็นเซอร์ที่มีช่องสีสี่ช่องขึ้นไปหรือเป็นเหตุผลที่ต้องทำอย่างไรหากขาดคุณสมบัติดังกล่าว? เซ็นเซอร์หลายช่องสัญญาณมีอยู่ในความพยายามวิจัยหรือไม่? หรือฉันแค่ผิดเกี่ยวกับมันจะมีประโยชน์อย่างไร

อีกวิธีหนึ่งถ้ามีอยู่ (หรือมีในอดีต) ซึ่งมีกล้องที่เสนอและสิ่งที่มีการใช้งานหลัก? (ฉันชอบที่จะเห็นภาพตัวอย่าง!)


เฮ้ทุกคนมีการอภิปรายจำนวนมากในความคิดเห็นที่นี่มากเกินพอที่จะกระตุ้นระบบอัตโนมัติ หากคุณต้องการพูดคุยเกี่ยวกับคำถามและ / หรือคำตอบโปรดนำไปที่ห้องสนทนาของเรา ขอบคุณ
John Cavan

คำถามที่เกี่ยวข้อง (แต่แตกต่างกัน) : ทำไมเราใช้ RGB แทนตัวกรองสำหรับความยาวคลื่นทั้งหมด
Karan Karan

ว่ามันจะเป็นประโยชน์สำหรับการที่จะนำเสนอตัวเลือกที่ดีในการจัดการกับปัญหาที่เกิดจากประเภทที่ทันสมัยบางส่วนของแสงเกียร์ ...
rackandboneman

คำตอบ:


32

ทำไมกล้องไม่ให้มากกว่า 3 ช่องสี?

มีค่าใช้จ่ายในการผลิตมากกว่า (ผลิตได้มากกว่าหนึ่งชนิด) และให้ข้อได้เปรียบเหนือกว่าไบเออร์ CFA

(หรือพวกเขา?)

ที่พวกเขาทำ. กล้องหลายตัวรวมถึงกล้องที่วางจำหน่ายมีตัวกรอง RGBW (RGB + ขาว) RGBE (RGB + Emerald), CYGM (Cyan Yellow Green Magenta) หรือ CYYM (Cyan Yellow Yellow Magenta)

ดูเหมือนว่าสำหรับฉันแล้วมันจะมีประโยชน์มากที่จะมีกล้องที่มีช่วงสเปกตรัมและความละเอียดที่มากขึ้นและดังนั้นฉันจึงสงสัยว่าทำไมกล้องไม่สามารถใช้งานได้ที่จับมากกว่าสามช่องสี

จำนวนช่องไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับช่วงสเปกตรัม

มีความท้าทายด้านเทคนิคอย่างมากในการสร้างเซ็นเซอร์ที่มีช่องสีสี่ช่องขึ้นไปหรือเป็นเหตุผลที่ต้องทำอย่างไรหากขาดคุณสมบัติดังกล่าว?

การขาดความต้องการเป็นปัจจัยชี้ขาด

นอกจากนี้ตัวกรอง CYYM / CYGM ยังทำให้เกิดสัญญาณรบกวนสีเพิ่มขึ้นเนื่องจากต้องการการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์ขนาดใหญ่ระหว่างการแปลง ความคมชัดของแสงสามารถทำได้ดีกว่าแม้ว่าจะมีสัญญาณรบกวนของสี

เซ็นเซอร์หลายช่องสัญญาณมีอยู่ในความพยายามวิจัยหรือไม่? หรือฉันแค่ผิดเกี่ยวกับมันจะมีประโยชน์อย่างไร

คุณผิดในช่วงสเปกตรัมนั้นจะยิ่งใหญ่ขึ้นด้วยช่องทางที่มากขึ้นคุณอยู่ในช่องที่สี่นั้นมีเทคนิคการประมวลผลที่น่าสนใจสำหรับทั้งสีและเสียงเดียว

อีกวิธีหนึ่งถ้ามีอยู่ (หรือมีในอดีต) ซึ่งมีกล้องที่เสนอและสิ่งที่มีการใช้งานหลัก?

ยกตัวอย่างเช่น Sony F828 และ Nikon 5700 พวกเขาและคนอื่น ๆ อีกไม่กี่คนที่มีวางจำหน่ายมือสอง พวกเขาเป็นกล้องที่ใช้กันทั่วไป


นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสนใจที่จะรู้ว่าช่วงสเปกตรัมนั้น จำกัด ด้วยกระจกร้อนที่มีอยู่ในกล้องส่วนใหญ่ แต่ด้วยความไวของโฟโตไดโอดซึ่งเป็นตัวเซ็นเซอร์ ฉันไม่รู้ว่าโฟโตไดโอดชนิดใดที่ใช้ในกล้องผู้บริโภคอย่างแน่นอน แต่นี่เป็นกราฟที่เป็นแบบอย่างที่แสดงข้อ จำกัด ของเซมิคอนดักเตอร์:

การเปรียบเทียบเซมิคอนดักเตอร์ที่ไวต่อแสง


เกี่ยวกับซอฟต์แวร์ที่อาจใช้ในการแยกช่องสัญญาณที่สี่: อาจเป็นได้dcrawแต่ควรได้รับการแก้ไขและคอมไพล์ใหม่เพื่อแยกเพียงช่องเดียว

มีเมทริกซ์ 4x3 สำหรับ F828 dcraw.cซึ่งใช้ช่องสัญญาณที่สี่ นี่คือแนวคิด: { 7924,-1910,-777,-8226,15459,2998,-1517,2199,6818,-7242,11401‌​‌​,3481 }- นี่คือเมทริกซ์ในรูปแบบเชิงเส้นซึ่งส่วนใหญ่อาจเป็นค่าที่สี่ทุกค่าที่แสดงถึงมรกต คุณเปลี่ยนเป็น: { 0,0,0,8191,0,0,0,0,0,0,0,0 }(ฉันไม่ทราบว่าควรจะมีหมายเลขใดแทน8191คาดเดา), คอมไพล์ใหม่และภาพเอาท์พุทจะได้รับช่อง Emerald หลังจาก demosaicing ในช่องสีแดง (ถ้าฉันเข้าใจแหล่งที่ถูกต้อง)


ความคิดเห็นไม่ได้มีไว้สำหรับการอภิปรายเพิ่มเติม การสนทนานี้ได้รับการย้ายไปแชท
John Cavan

3
Euri, มีข้อมูลที่มีประโยชน์สุด ๆ ในความคิดเห็นของคุณเกี่ยวกับ dcraw ฯลฯ , ตอนนี้ย้ายไปห้องสนทนา มีโอกาสใดบ้างที่คุณสามารถแก้ไขคำตอบสำหรับลูกหลาน?
นาธาเนียล

16

หมายเหตุเล็กน้อยจากวิศวกรระบบออพติคอลมาเป็นเวลานาน อย่างแรกคือมีสิ่งที่เรียกว่ากล้อง "hyperspectral" ซึ่งใช้ gratings หรือเทียบเท่าเพื่อแยกแสงที่เข้ามาออกเป็นหลายสิบหรือสองร้อยสี (ความยาวคลื่น) ช่อง สิ่งเหล่านี้อย่างที่คุณอาจจินตนาการว่าไม่ได้ใช้หรือมีประโยชน์สำหรับการผลิตภาพถ่ายสีต่อ se แต่เป็นสิ่งที่ยอดเยี่ยมสำหรับการแยกแถบสเปกตรัมแถบแคบที่ปล่อยออกมาหรือสะท้อนออกมาจากวัสดุเฉพาะ ยกตัวอย่างเช่นนักธรณีวิทยาใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อระบุการสะสมของแร่โดยใช้กล้องไฮเปอร์สเปคตัลติดตั้งในเครื่องบิน

ถัดไปมีความแตกต่างอย่างมากระหว่างสีที่ผลิตโดยความยาวคลื่น (พลังงานโฟตอน) และสีที่ดวงตาของเรารับรู้ เรามีสามหรือสำหรับผู้โชคดีบางส่วนสี่กรวยที่แตกต่างกันแต่ละคนมีเส้นโค้งการตอบสนองทางสเปกตรัมที่แตกต่างกัน คุณสามารถหาเส้นโค้งเหล่านี้ได้จากทั่วทุกมุมโลกรวมถึงภาพแรกในหน้า Wikipedia นั้น ต่อไปช่วงของสี / เฉดสีที่เรารับรู้ครอบคลุมทั้งแผนที่ในขณะที่สีที่ผลิตโดยความยาวคลื่นโฟตอนเดียวจะก่อตัวเป็นเส้นตรงในพื้นที่ของแผนที่นั้น

การทดลองจำนวนหนึ่งรวมถึงการแสดงที่น่าตื่นเต้นที่ดำเนินการโดยเอ็ดวินแลนด์แสดงให้เห็นว่าการผสม RGB นั้นเพียงพอที่จะทำให้ดวงตาสามารถสร้างสีสันการมองเห็นที่เป็นไปได้ทั้งหมดใหม่ (จริงๆแล้วมันกลับกลายเป็นว่ามีเพียงสองสีเท่านั้นและการเป็นตัวแทนของเฉดสีเทาอีกสีหนึ่งจะเพียงพอการประมวลผลด้วยแสงในสมองนั้นแปลกจริงๆ)


11

เซ็นเซอร์กล้อง RGB นั้นได้รับความนิยมมาก

นั่นคือสิ่งที่คนส่วนใหญ่ต้องการ - การสร้างภาพถ่ายที่ดูเหมือนกับที่เราเห็น

การแทนที่ subpixels RGB ด้วยตัวกรองชนิดต่าง ๆ เพื่อแยกแถบเพิ่มเติมด้วยความละเอียดสเปกตรัมที่ดีกว่าจะใช้งานได้ แต่:

  • เพียงเพื่อวัตถุประสงค์เดียว ทุกคนต้องการตัวกรอง RGB แบบเดียวกันเพื่อให้ได้ภาพที่ดี แต่มีจำนวนแถบสเปกตรัมที่เป็นไปได้ไม่ จำกัด จำนวนซึ่งอาจเป็นประโยชน์สำหรับบางคน คุณไม่สามารถสร้างกล้องสากลได้ด้วยวิธีนี้

  • มันจะลดความไวโดยรวมของเซ็นเซอร์ ทุกพิกเซลย่อยที่ให้นั้นไม่มีประโยชน์สำหรับแสงทั้งหมดยกเว้นแถบแคบที่รับได้ ตัวกรองเพิ่มเติม = แสงที่สูญเปล่ามากขึ้น

ดังนั้นแทนที่จะสร้างเซ็นเซอร์พิเศษแบบแคบคุณควรมีเซ็นเซอร์โดยไม่มีฟิลเตอร์ในตัวเลยและแลกเปลี่ยนฟิลเตอร์ระหว่างการรับภาพ วิธีนี้จะใช้พื้นที่เซ็นเซอร์ทั้งหมดกับตัวกรองแต่ละตัวไม่ใช่เพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ที่มีพิกเซลย่อยที่ตรงกัน


1
นี่ไม่ใช่ความจริงอย่างเด็ดขาด 3 สีหลักไม่สามารถให้เฉดสีทั้งหมดที่มนุษย์มองเห็นได้ ถ้าคุณดูที่แผนภาพ CIE chromaticityมันก็จะเป็นรูปสามเหลี่ยม แต่เมื่อคุณเห็นรูปสามเหลี่ยม RGB ที่ถูกจารึกไว้ในนั้นคุณจะเห็นว่ามีกี่สีที่คุณขาดหายไป หลักที่ 4 ในพื้นที่สีฟ้าสีเขียวจะสร้างรูปสี่เหลี่ยมที่มีสีมากกว่า 20%
Mark Ransom

PS เหตุผลเดียวที่ผู้คนพึงพอใจกับ RGB คือสีนอกขอบเขตทั่วไปนั้นหายากกว่าสีที่ RGB สามารถทำซ้ำได้
Mark Ransom

1
ตัวกรองไบเออร์จะไม่ จำกัด พื้นที่สีให้เป็นรูปสามเหลี่ยมเหมือนที่แสดงได้อย่างไร เป็นเรื่องที่ฉันไม่คิดว่าจะได้รับความสนใจมากพอ มันไม่เคยพูดถึงเมื่อพูดถึงความแตกต่างของชิปเซ็นเซอร์
Mark Ransom

1
คำถามเดียวกันนี้ใช้กับเรตินาของมนุษย์ที่มี "ฟิลเตอร์" เพียง 3 ชนิด - และคำตอบก็คือฉันเดาว่าการแสดงและการรับรู้เป็นสัตว์ที่แตกต่างกัน! อาจแตกต่างจากจอแสดงผลที่ gamuts กำลังต่อสู้กันมันน่าเบื่อและง่ายที่ไม่มีใครพูดถึง
szulat

1
@ MarkRansom คุณพูดคุยเกี่ยวกับการแสดงหรือการบันทึก? มีความแตกต่างอย่างมาก พื้นที่ XYZ เป็นพื้นที่ tristimulus และ chromaticities มีพิกัดบนกราฟที่ฉันตั้งชื่อ ที่นี่มันเป็นภาพ (ด้านนอกสีเทาหนึ่ง)
Euri Pinhollow

2

มีเซ็นเซอร์สีสามสีในสายตามนุษย์ โปรไฟล์สเปกตรัมของพวกเขากว้างและทับซ้อนกัน พวกเขาแต่ละคนส่งสัญญาณประสาทไปยังสมองซึ่งอินพุตถูกตีความว่าเป็นสี ความคิดเห็นในคำตอบก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการประมวลผลในสมองที่แปลกประหลาดถูกต้อง ในกรณีนี้จำเป็นต้องมีสิ่งเร้า 3 อย่างสำหรับสีที่กำหนด ดูบทความ Wikipedia เกี่ยวกับการมองเห็นสีเพื่อดูรายละเอียดเพิ่มเติม


0

มีกล้องหลายสเปกตรัมด้วยช่องทางเพิ่มเติมสำหรับแสง IR และ UV แต่ไม่เป็นสินค้าอุปโภคบริโภค

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.