[160103][高素質數位影像FAQ] part.2-1 - 關於感光元件原理的一些小知識

[高素質數位影像FAQ] part.2-1 - 關於感光元件原理的一些小知識

前面的文章介紹了目前主流感光元件大多以bayer pattern方式排列，每個像素單元實際上只接收到RGB其中一者的明暗訊息，再用軟體插值運算，得到最後的影像結果。

而這種方式得到的影像，其中一個主要的問題是：

當影像內有物體的輪廓線條密度極高，高到接近感光元件的解析力極限的時候，它就沒辦法推算得到正確的影像資訊了。

接近解析力極限的時候，感光元件的原始資訊不足，就不容易再提供軟體去運算出正確的結果。然後就會出錯。

這造成的問題是高密度線條(個人以高頻細節稱之)的細節對比突然下降，線條模糊，摩爾紋。以及偽色(既然輪廓線條會出錯，當然顏色也有可能會算錯)
可參考silkypix原廠網頁的解說資訊
https://silkypix.isl.co.jp/community/what-is-silkypix/#article-top

silkypix網站上關於高頻細節特性的解說，圖表很明確的表示，隨著高頻細節(空間週波數)密度提高，到達接近解析力上限的時候，對比就會突然嚴重下降。

而對比和線條輪廓其實是同一件事，沒有對比就沒有輪廓。

silkypix原廠網站關於偽色的說明。其實原理也跟前面相似，既然線條對比會出錯，顏色自然也可能出錯。

相機廠商為了避免以上問題在影像中出現，大多會在感光元件前方安裝一片Low-pass filter，當影像中的高頻細節接近或超過解析力極限的時候，這filter可以把它們糊掉。
這樣就不會導致摩爾紋和偽色問題。
但是相對的也就影響降低了感光元件本身可達到的解析力

這可說是魚與熊掌的二擇問題

bayer pattern排列感光元件的這個缺陷問題，有一些方式可以解決。

一者，是提高鏡頭和感光元件的解析力極限，鏡頭解析力越高，感光元件像素越高，把整個系統的解析力門檻提高，原本會有問題的地方就不再是問題了。

第二就是把感光元件的面積加大，同樣成像範圍，我們用兩倍甚至三倍以上的感光元件面積去讀取成像，那原先是高頻細節的部份就不再是高頻高密度了

另外就是特殊設計的感光元件，目前市面上少數非主流特殊設計的感光元件，其中較為人所知的，就是SIGMA Foveon X3。

Foveon X3的特點在於其三層感光元件，每一個像素可以紮紮實實得到RGB三色的原始明暗資訊。
原理上，它就不需要像其他感光元件那樣需要插值運算。
可參考SIGMA SD14官方網站的訊息。
http://www.sigma-sd.com/SD14/jp/feature/index.html

這特性表現在其影像結果上，高頻細節的對比不會突然下降
隨著線條密度提高，到越過感光元件解析力極限以上，它是一個逐漸變化的過程。
這特性跟傳統彩色底片很相似

一般數位相機的影像，若使用後製軟體插補點放大，前述的高頻細節問題也會跟著放大，所以在避免瑕疵可見的前提下，影像能接受的放大程度是有限的。

而Foveon X3所得的原始影像，即使用後製軟體將其resize插補點放大，也可以得到比較理想的結果。跟底片掃描後，軟體resize放大再輸出的狀況相似。

可參考Dpreview過去曾經使用SIGMA DP1所作的測試影像，這裡特意使用了彩色的解析力檢查圖。
http://www.dpreview.com/reviews/sigmadp1/20

DP1的影像可以清楚看出，隨著線條密度提高，它的線條輪廓不會產生摩爾紋一類的瑕疵。線條之間的顏色也幾乎都可以正確解讀。
http://www.dpreview.com/files/p/articles/7117077602/samples/compared/colorres/sigmadp1_colres.jpeg
但是其他相機拍攝的測試影像，就有各式各樣的狀況出現，在上排第二張的紅藍線條圖裡，紅線之間的藍色區域甚至有整排都算錯的。
http://www.dpreview.com/files/p/articles/7117077602/samples/compared/colorres/nikond40_colres.jpeg

另外這裡面的Leica M8的範例也清楚說明了Low-pass filter的功用，糊掉它們就沒有這些問題，但相對就犧牲了一部分解析力。
http://www.dpreview.com/files/p/articles/7117077602/samples/compared/colorres/leicam8_colres.jpeg

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另外過去還曾經存在過一種設計，這是Fujifilm所推出的SuperCCD SR感光元件。
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E7%B4%9A%E6%84%9F%E5%85%89%E8%80%A6%E5%90%88%E5%85%83%E4%BB%B6

它將感光元件的像素單元分成S和R兩種。
S pixel就跟一般正常像素單元相同。
R pixel則比S 稍微小一點，感光靈敏度比S 低一些，這樣當明暗資訊超過S 像素可以紀錄的範圍時，R 像素仍然可以紀錄到資訊。
參考Dprewview對Fujifilm S5 pro的解說：
http://www.dpreview.com/reviews/fujifilms5pro

這特性表現在其影像結果上，就是superCCD的最大動態範圍，在當時超過其他相機甚多，而且與一般相機不同，一般相機動態範圍是暗部較亮部有優勢，而它在亮部的動態範圍擴張尤其明顯。

Dpreview對S3 pro的動態範圍測試內容
http://www.dpreview.com/reviews/fujifilms3pro/18
Dpreview對S5 pro的動態範圍測試內容
http://www.dpreview.com/reviews/fujifilms5pro/18

當然相對它也犧牲了一部分的像素解析力。
http://www.dpreview.com/reviews/fujifilms5pro/27

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所以Bayer pattern型式感光元件作為主流還是有它的理由，並且這些技術都不斷的在持續改進發展中。

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