Чому камери не пропонують більше трьох кольорових каналів? (Або вони?)

В даний час більшість (усі?) Доступних у продажу камер знімають світло у трьох кольорових каналах: червоному, зеленому та синьому. Мені здається, що було б дуже корисно мати камеру з більшим спектральним діапазоном і роздільною здатністю, і тому мені цікаво, чому камери недоступні, що захоплюють більше трьох кольорових каналів.

Що я маю на увазі саме?

У коментарях (з моменту видалення) були запити щодо того, що я маю на увазі, тому я хотів би дати краще пояснення. Видиме світло коливається в межах приблизно 390-700nm довжин хвиль. Між цими двома кінцевими точками існує нескінченна кількість довжин хвиль, але око має дуже обмежену здатність їх розрізнити, оскільки має лише три кольорові фоторецептори. Криві відгуку для них показані на частині (а) малюнка нижче. ( Більш велика версія .) Це дозволяє нам бачити різні кольори залежно від частоти світла, оскільки низькочастотний світло матиме більший вплив на сині рецептори, а високочастотний світло матиме більший вплив на червоні рецептори.

Цифровий датчик в камері працює, маючи фільтри перед його пікселями, і зазвичай є три типи фільтрів. Їх вибирають з кривими відгуків, максимально наближеними до рисунка (а) вище, щоб імітувати те, що бачить людське око.

Однак, технологічно кажучи, немає причин, чому ми не могли б додати четвертий тип фільтра, наприклад, з піком між синім та зеленим, як показано на рисунку (b). У наступному розділі я пояснюю, чому це було б корисно для післяобробки фотографій, хоча це не відповідає жодному погляду.

Іншою можливістю було б додавання додаткових каналів в інфрачервоному або ультрафіолетовому, як показано на рисунку (с), розширюючи спектральний діапазон камери. (Це, ймовірно, буде складніше технічно.)

Нарешті, третьою можливістю було б ще більш тонко розділити діапазон частот, створивши камеру з високим спектральним дозволом. У цій версії звичайні RGB-канали повинні бути побудовані в програмному забезпеченні з більш тонких даних, які дає датчик.

Моє запитання полягає в тому, чому DSLR зазвичай не пропонують жоден із цих варіантів, окрім (а), і чи є в наявності камери, які пропонують будь-який з інших. (Я запитую про тип камери, яку ви використовували б для фотографування. Я знаю, що є наукові інструменти, які пропонують такі види функцій.)

Чому це було б корисно?

Я бавився з редагуванням чорно-білих фотографій, із кольорових знімків, зроблених моїм DSLR. Цей процес мені здається цікавим, оскільки під час редагування фотографії B&W три канали RGB просто стають джерелами даних про сцену. Фактичні кольори, які вони представляють, є майже нерелевантними - блакитний канал корисний здебільшого тому, що предмети в сцені відрізняються кількістю світла, яке вони відбивають у діапазоні довжин хвиль, і тим, що він відповідає тому, що бачить людське око "синій" набагато менш актуальний.

Наявність трьох каналів дає велику гнучкість в управлінні експозицією різних аспектів остаточного зображення, пов'язаного з дослідженнями. Мені прийшло в голову при цьому, що четвертий кольоровий канал дасть ще більшу гнучкість, і тому мені цікаво, чому такого не існує.

Додаткові кольорові канали були б корисні для кольорової фотографії, а також чорно-білої і з тієї ж причини. Ви просто будуватимете кожен з RGB-каналів так само, як і зараз, будуючи B&W-зображення, комбінуючи дані з різних каналів, що представляють світло різних діапазонів частот. Для більшості цілей це робиться автоматично в програмному забезпеченні, але це запропонує набагато більшу гнучкість у плані варіантів післяобробки.

Як простий приклад того, як це може бути корисним, ми знаємо, що рослини дуже відбивають у ближньому інфрачервоному просторі. Цей факт часто використовується для отримання яскравих знімків спеціальних ефектів, у яких рослини мають яскраво-білий колір. Однак якби у вас програмне забезпечення для редагування інфрачервоне зображення було четвертим каналом, воно було б доступне для обробки кольорових зображень, наприклад, шляхом зміни експозиції всіх рослин на зображенні, залишаючи в спокої менше ІЧ-відбиваючих об'єктів.

У випадку інфрачервоного я розумію, що є фізичні причини, чому важко зробити датчик, який не чутливий до ІЧ, так що цифрові датчики зазвичай мають ІР-блокуючий фільтр перед собою. Але слід мати можливість зробити датчик з більш високою спектральною роздільною здатністю у видимому діапазоні, що дало б змогу отримати однакові переваги.

Можна подумати, що ця функція буде менш корисною в епоху цифрової обробки, але я насправді думаю, що зараз вона з'явиться власною. Межі того, що можна зробити цифровим способом, встановлюються наявними даними, тому я думаю, що більший об'єм спектральних даних дасть змогу обробляти методи, які без нього взагалі не можуть існувати.

Питання

Я хотів би знати, чому ця функція, здається, не існує. Чи є величезна технічна проблема у створенні датчика з чотирма або більше кольоровими каналами, чи причина більше пов'язана з відсутністю попиту на таку функцію? Чи існують багатоканальні датчики як дослідницькі зусилля? Або я просто помиляюся, наскільки це було б корисно?

Крім того, якщо вони існували (або існували раніше), які камери пропонували це і які основні напрямки його використання? (Я хотів би побачити приклади зображень!)

Чому камери не пропонують більше трьох кольорових каналів?

Виробляти коштує більше (виробництво більш ніж одного виду чого-небудь коштує дорожче) і надає поряд із жодними (товарними) перевагами перед Bayer CFA.

(Або вони?)

Вони зробили. Кілька камер, включаючи роздрібні, мали фільтри RGBW (RGB + White) RGBE (RGB + Emerald), CYGM (Cyan Yellow Green Magenta) або CYYM (Cyan Yellow Yellow Magenta).

Мені здається, що було б дуже корисно мати камеру з більшим спектральним діапазоном і роздільною здатністю, і тому мені цікаво, чому камери недоступні, що захоплюють більше трьох кольорових каналів.

Кількість каналів безпосередньо не пов'язана зі спектральним діапазоном.

Чи є величезна технічна проблема у створенні датчика з чотирма або більше кольоровими каналами, чи причина більше пов'язана з відсутністю попиту на таку функцію?

Відсутність попиту є визначальним фактором.

Крім того, фільтри CYYM / CYGM викликають підвищений кольоровий шум, оскільки вони вимагають арифметичних операцій з великими коефіцієнтами під час перетворення. Дозвіл яскравості може бути кращим, хоча ціною кольорового шуму.

Чи існують багатоканальні датчики як дослідницькі зусилля? Або я просто помиляюся, наскільки це було б корисно?

Ви помиляєтеся в тому, що спектральний діапазон був би більшим із більшою кількістю каналів, ви маєте рацію, що четвертий канал пропонує ряд цікавих технологій обробки як кольорових, так і монотонних.

Крім того, якщо вони існували (або існували раніше), які камери пропонували це і які основні напрямки його використання?

Наприклад, Sony F828 і Nikon 5700, вони та деякі інші навіть доступні уживані. Вони камери загального користування.

Цікаво також знати, що спектральний діапазон обмежений не тільки гарячим дзеркалом, що присутній у більшості камер, але й чутливістю фотодіодів, що складають датчик. Я не знаю, який тип фотодіодів використовується саме в споживчих камерах, але ось примірний графік, який показує обмеження напівпровідників:

Щодо програмного забезпечення, яке може використовуватися для вилучення четвертого каналу: це, мабуть, dcrawале його слід модифікувати та перекомпілювати для вилучення лише одного каналу.

Існує матриця 4x3 для F828, в dcraw.cякій використовується четвертий канал. Ось ідея: { 7924,-1910,-777,-8226,15459,2998,-1517,2199,6818,-7242,11401‌​‌​,3481 }- це матриця в лінійній формі, швидше за все, кожне четверте значення представляє Смарагд. Ви перетворюєте це на це: { 0,0,0,8191,0,0,0,0,0,0,0,0 }(я не знаю, яке число повинно бути там, замість того 8191, щоб зробити здогадки), перекомпілюйте, а вихідне зображення отримує Смарагдовий канал після демосажування в червоному каналі (якщо я правильно розумію джерела).

Кілька приміток цього давнього інженера з оптичних систем. По-перше, є речі, які називаються "гіперспектральними" камерами, які використовують решітки або еквівалент, щоб розбити вхідне світло на десятки або навіть пару сотень кольорових (довжина хвилі) каналів. Вони, як ви можете уявити, не використовуються або не є корисними для створення кольорових фотографій самі по собі, але відмінно підходять для розрізнення вузькосмугових спектральних ліній, випромінюваних або відбитих, від конкретних матеріалів. Наприклад, геологи використовують їх для ідентифікації родовищ корисних копалин, використовуючи гіперспектральну камеру, встановлену в літаку.

Далі, існує величезна різниця між кольорами, що виробляються кожною окремою довжиною хвилі (енергія фотона), і кольорами, які сприймають наші очі. У нас є три, або для деяких щасливчиків, чотири різних конуси, кожен з яких має різні спектральні криві відгуку. Ці криві можна знайти по всій мережі, включаючи перше зображення на цій сторінці Вікіпедії. Далі, діапазон кольорів / відтінків, які ми сприймаємо, охоплює цілу карту , тоді як кольори, отримані будь-якою довжиною хвилі фотона, утворюють лінію в області цієї карти.

Будь-яка кількість експериментів, включаючи деякі вражаючі, проведені Едвіном Лендом, показали, що змішування RGB достатньо для того, щоб око могло відновити всі можливі кольори зору. (Власне, виявляється, що достатньо буде лише двох кольорів плюс відтінків сірого кольору іншого . Оптична обробка в мозку дійсно дивна)

Датчики камери RGB настільки популярні, оскільки вони відтворюють людський зір

Саме це потребує більшості людей - зробити фотографії, схожі на те, що ми бачимо.

Заміна RGB субпікселів на більш різні види фільтрів, щоб виділити більше діапазонів з кращим спектральним дозволом, буде працювати, але:

• лише з єдиною метою . Кожному потрібні приблизно однакові фільтри RGB, щоб зробити гідні фотографії, але існує необмежена кількість можливих спектральних смуг, які можуть бути корисні для когось. Не можна зробити універсальну камеру таким чином.

• це зменшило б загальну чутливість датчика . Кожен заданий субпіксель є марним для всього світла, крім вузької смуги, яку він приймає. Більше фільтрів = більше витраченого світла.

Тож замість того, щоб робити вузькоспеціалізовані датчики, краще мати датчик без будь-яких вбудованих фільтрів, а просто обміняти фільтри під час отримання зображення. Таким чином, вся область датчика використовується з кожним фільтром, а не лише невелика частка, що має відповідний субпіксель.

У людському оці три датчики кольору. Їх спектральні профілі широкі і вони перетинаються. Кожен з них посилає нервові сигнали до мозку, де вхід інтерпретується як колір. Коментар у попередній відповіді про дивну обробку в мозку є правильним. У цьому випадку потрібні лише 3 подразника для даного кольору. Подивіться статтю Вікіпедії про кольоровий зір для отримання детальної інформації.

Існували також багатоспектральні камери з додатковими каналами для ІЧ та УФ-світла, але не як споживчий продукт.