低通濾鏡深入解析

唐新平

<h3><font color="#010101">　　傳統(tǒng)膠片攝影除了成功與失敗沒(méi)有銳利與模糊的概念，一旦失敗，沒(méi)有好手段在后期銳化。“銳化”一詞，是伴隨著數(shù)碼影像的發(fā)展而產(chǎn)生的，換言之，“銳化”是數(shù)碼的伴生物。那么，數(shù)碼影像為什么要銳化呢？因?yàn)椋绻讳J化，數(shù)碼照片就沒(méi)有足夠的清晰度，或者武斷地說(shuō)數(shù)碼照片的原始圖焦點(diǎn)發(fā)虛，看起來(lái)“疲軟”，可以說(shuō)這是基本事實(shí)。<br>　　要回答數(shù)碼照片為什么會(huì)“發(fā)虛”，我們應(yīng)先了解數(shù)碼成像的結(jié)構(gòu)特征、數(shù)碼影像軟肋——摩爾條紋、模糊計(jì)算和紅外繞射，以及聰明的抉擇——低通濾鏡。<br></font></h3> <h3><font color="#010101">一、低通濾鏡及其必要性<br> 數(shù)碼成像徹底繞開了膠片感光銀鹽的成像思路，使用電子元件作為感光介質(zhì)，使光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎噪娏鞔笮∮涗浻跋衩靼担c濾光鏡配合，承載RGB色彩和影調(diào)，最終以像素組合的形式完成影像再現(xiàn)。電磁波（可見光線是其中的一小部分）是多波長(zhǎng)復(fù)合體，在成像中并非所有的電磁波都是有益的，比如紫外線、紅外線等會(huì)形成輕度的焦外繞射。對(duì)成像不利，因此需要將有害光濾除。在傳統(tǒng)膠片上，乳劑涂層常常達(dá)到十多層，其中部分層就承擔(dān)過(guò)濾有害光的作用。數(shù)碼成像的元件不能在感光元件中分層阻隔有害光線，而是把濾光層做在感光元件的前端，這就是人們常說(shuō)的低通濾鏡。<br> 圖1是數(shù)碼感光元件的解剖示意圖，為了看得清楚，便于示意，把原來(lái)壓在一起、緊貼在圖像感應(yīng)器（CCD或CMOS）上的三層低通濾鏡拉開了距離。這三層低通濾鏡承擔(dān)過(guò)濾除可見光之外的有害光線（如紫外線、紅外線等）的功能，以提高影像的焦點(diǎn)會(huì)聚準(zhǔn)確性，保證色彩還原準(zhǔn)確。低通濾鏡的使用是必需的，沒(méi)有它們，影像將出現(xiàn)大量偽色、色斑和光點(diǎn)慧尾，使圖像失去使用價(jià)值。<br> 更重要的是，最貼近感光元件的低通濾鏡還兼有改變空間頻率的作用，其作用就是把整齊節(jié)奏（比如竹籬笆、衣服上的條紋等）的影像反差降低少許，甚至是輕度地打亂節(jié)奏，以防止與感光元件的整齊排列節(jié)奏干涉而出現(xiàn)摩爾條紋。摩爾紋指的就是拍攝密集條紋物體時(shí)，在傳感器上產(chǎn)生不規(guī)則條紋或偽色的現(xiàn)象。而這些密集條紋反射的光束在經(jīng)過(guò)透鏡的折射后，交匯在一起，同時(shí)發(fā)生了一定的衍射和干涉現(xiàn)象（傅里葉變換）。由于這些光線互相的干擾產(chǎn)生了色散和光的疊加，被傳感器記錄下來(lái)，導(dǎo)致分辨率下降。<br>　　進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，摩爾紋的信息學(xué)本質(zhì)是圖象產(chǎn)生周期頻譜交迭混淆(或曰拍頻現(xiàn)象)。我們假設(shè)CMOS的抽樣頻率為15 MHz，在圖象信號(hào)為10 MHz時(shí)，混疊頻率分量為15-10=5 MHz，在圖象信號(hào)為9 MHz處，混疊頻率分量為15-9=6 MHz，這兩項(xiàng)混疊頻率分量經(jīng)電路低通濾波后都是無(wú)法濾掉的，并與有用圖像信號(hào)一樣被輸出，如在所觀測(cè)的波形中在9 MHz和10 MHz頻帶處疊加有5 MHz和6 MHz的信號(hào)成分。在7 MHz信號(hào)上還會(huì)有明顯的低頻差拍存在，差拍頻率約1MHz。這些混疊的信號(hào)將影響圖象清晰度，出現(xiàn)彩色條紋干擾。這些高頻信息就來(lái)自常見的有著密集條紋或是紋理的物體的反射光。因此拍攝他們很容易出現(xiàn)摩爾紋。<br>　　<br></font></h3> <h3><font color="#010101">由于CMOS離散像素受到采樣頻率的限制，以及由于芯片總的感光面積較小而受到二維孔徑光闌的影響，所以又產(chǎn)生了一些新的頻譜問(wèn)題，直接影響CMOS的成像清晰度和分辨能力。CMOS圖像傳感器在垂直和水平方向傳輸光學(xué)信息都是離散的取樣方式，這是因?yàn)樗墓饷魡卧谒椒较蛞彩请x散的。因此我們要找到辦法把入射光線的空間頻率降低，把光線“離散”化——這就是第三層低通濾鏡的原理所在。</font></h3> <h3><font color="#010101">二、低通濾鏡的問(wèn)題及解決方案<br>　　低通濾鏡是極薄的鍍膜透明材料制作的，光線通過(guò)這些濾鏡后的損失很小。然而，即使再薄，也是蒙在數(shù)碼成像元件“眼睛”上的“太陽(yáng)鏡”。況且是三片（有的相機(jī)是一片或兩片），對(duì)影像的清晰度一定會(huì)帶來(lái)不良影響。改變空間頻率的低通濾鏡對(duì)成像銳度的影響是顯而易見的。<br>　　可能會(huì)有人問(wèn)，那么減少低通濾鏡不是可以提高清晰度呢？是的。的確有這樣的數(shù)碼相機(jī)來(lái)解決這一問(wèn)題，如圖2所示，只有1~2片低通濾鏡，加上色彩飽和度強(qiáng)化的處理器。此前的這種相機(jī)的原始圖看上去清晰度提高了。直接在數(shù)碼相機(jī)的液晶顯示屏上看，很討人喜歡。不明就里的人會(huì)很贊賞這種色彩飽和、成像銳利的相機(jī)。殊不知，這種“討人喜歡”的相機(jī)所拍攝的照片，其中的“硬傷”就是很難在后期制作中處理。數(shù)碼相機(jī)使用濾鏡的多少以及采用何種數(shù)字影像生成器，乃至使用什么編程，與相機(jī)的專業(yè)程度、造價(jià)、畫質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和針對(duì)的客戶群有關(guān)。 <br></font></h3> <h3><font color="#010101"> 圖3是佳能針對(duì)不同用戶群的相機(jī)設(shè)計(jì)思路示意。專業(yè)人員注重后期處理，因此，頂級(jí)專業(yè)相機(jī)內(nèi)部不做或很少做圖像優(yōu)化處理，而交給專業(yè)攝影師“原汁原味”、富含原始影調(diào)和色彩信息的“原圖”。眾所周知，原圖的調(diào)整空間大，可以更好發(fā)揮作者的二次創(chuàng)作才能，特別是RAW格式的原圖，能夠轉(zhuǎn)換為ProPhoto RGB 16位圖像，可以獲得單色65536級(jí)階調(diào)，總計(jì)687億種色彩。其信息容量大得難以想像，但是，越是寬容度大，記錄豐富色彩信息細(xì)節(jié)的影像看上去反差越低，色彩飽和度越不鮮艷。不明白這個(gè)原理的人，看了此類專業(yè)級(jí)圖像，會(huì)認(rèn)為數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片不如膠片鮮艷明快，這只是表面認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)專業(yè)的后期調(diào)整，數(shù)碼影像會(huì)有令人驚異的出色表現(xiàn)。在層次、色彩再現(xiàn)、寬容度和細(xì)節(jié)刻畫等方面超越膠片。<br> 那么，沒(méi)有后期處理能力，或沒(méi)時(shí)間不想做后期處理的人用什么相機(jī)呢？<br> 這里顯示了非專業(yè)相機(jī)的應(yīng)用方案。針對(duì)沒(méi)有時(shí)間或沒(méi)有能力或沒(méi)有興趣做后期處理的用戶，普通非專業(yè)相機(jī)可以為你做好一切。此類相機(jī)采取這樣的設(shè)計(jì)思路：內(nèi)置色彩優(yōu)化和銳化程序、沒(méi)有或減少低通濾鏡的數(shù)量，在相機(jī)中應(yīng)用較低程度模糊算法，使照片在相機(jī)上看或下載到電腦上不做任何處理，就可以達(dá)到明麗清晰的程度，滿足一般紀(jì)念照、網(wǎng)絡(luò)用圖、旅游照等家庭用戶和個(gè)人用戶的使用要求。當(dāng)然，在享受便捷的同時(shí)，您也必須容忍這種照片色彩過(guò)渡層次少、噪點(diǎn)大且難以消除、放大倍率小、焦點(diǎn)依然不夠清晰、后期制作空間小、容易出現(xiàn)摩爾條紋等缺陷。<br> 數(shù)碼相機(jī)，特別是專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，其獨(dú)特的成像原理和結(jié)構(gòu)特征，是形成影像“疲軟”的根本原因之一。您是否發(fā)現(xiàn)過(guò)卡片相機(jī)拍攝的照片，從相機(jī)后面的液晶屏上看，比專業(yè)相機(jī)拍攝的照片漂亮。各位想一想，能夠在卡片相機(jī)上做到的技術(shù)，為什么不應(yīng)用在專業(yè)相機(jī)上？是廠商疏忽了嗎？顯然不是，這就是數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)膠片相機(jī)的顯著不同。膠片大中畫幅相機(jī)拍攝的照片畫質(zhì)一定優(yōu)于傻瓜相機(jī)。因?yàn)槟z片是一鏡定格、一次成片，而數(shù)碼影像是前后期結(jié)合才能獲得高畫質(zhì)，因此專業(yè)相機(jī)拍攝的照片初看起來(lái)可能不如把前后期合為一體的卡片相機(jī)。所以，后期制作是數(shù)碼影像的必修課，而軟件又是這門必修課中的重點(diǎn)。<br> 三、低通濾鏡及數(shù)碼相機(jī)的未來(lái)<br>　　低通濾鏡是CMOS能力有限的情況下的權(quán)宜之計(jì)。根據(jù)上面的分析，未來(lái)的機(jī)器可以去低通，去低通是一個(gè)發(fā)展方向。誠(chéng)如前述，歷史上及目前已有的去低通濾鏡的機(jī)器主要有：徠卡M8、M9，佳能EOS 20Da，尼康D800E，尼康D7100，尼康D810，索尼RX1R，索尼RX1R II，適馬Foveon X3，富士X-T1，賓得K-3 II，佳能EOS 5DS R，等。<br>　　現(xiàn)在各大廠商都已經(jīng)意識(shí)到了提高畫質(zhì)這一問(wèn)題，紛紛取消了低通濾鏡的設(shè)計(jì)，但是摩爾紋這個(gè)老大難的問(wèn)題還是依然沒(méi)有解決，網(wǎng)上的宣傳炒作，更多的是一種商業(yè)噓頭，針對(duì)的是中低端市場(chǎng)。想要找到一個(gè)中和的方法還是需要慢慢的探索與研發(fā)，無(wú)論是利用處理器來(lái)解決還是在圖像傳感器上做文章，這些技術(shù)都將成為推動(dòng)影像行業(yè)發(fā)展的重要一筆。對(duì)于畫質(zhì)的要求驅(qū)使著低通濾鏡這一技術(shù)會(huì)漸漸的走向下坡，取消低通濾鏡也許將成為未來(lái)相機(jī)的發(fā)展方向。<br><br></font></h3>

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低通濾鏡深入解析

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