单像素成像原理及特点（科普向摄像头七）
单像素成像原理及特点（科普向摄像头七）RYYB排列我们在拍摄图片中1的场景时，CMOS所有像素传回来的就是图2，再加上彩色滤光片颜色，就变成了图3。但这明显不是最终的图像，图3到图4的过程，需要一系列算法进行猜色等等来补足。而算法并不能做到100%完全还原颜色，所以这种排列方式会带来无法避免的偏色问题。RGGB排列，即拜耳排列，由柯达公司的工程师Bryce Bayer发明，而拜耳排列也因此得名。这种排列方式，是当我们用CMOS或者CCD作为感光传感器，采集数字图像时常用到的一种方法。拜耳当时并没有在每个像素上放三个颜色的滤镜，而是选择在图像传感器前面，设置一个集成滤光镜，上面布满了一个个滤光片，与下层的像素一一对应。每个滤光片只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色，这意味着在它下层的像素点只可能有三种颜色：红、绿、蓝，或者什么也没有。这样一来每个像素就都通过这个滤光镜获得了颜色和明暗信息。不过过程存在一个缺陷，就是在一个像素点上只能
在上一期的文章里我们谈到了摄像头的视网膜—CMOS。文章中也提到人们通过在CMOS上覆盖彩色滤光片来区分颜色，这些滤光片可以将射入光的颜色以RGB的模式分解，而这些滤镜的排列方式多种多样。接下来我们就为大家介绍一下这些彩色滤光片的排列方式有哪些。
在过去的时代里，人们一直受限于感光能力的不足而无法制造相机，而在有了感光传感器后，人们便可以制造出记录生活的相机。但是由于感光传感器的原理限制，相机只能感受到光的强度而不能感受到颜色，也就是频率或波段，因此最终人们只能得到一张张黑白照片。
但是已经拥有了相机的现代人，自然渴望让色彩出现在这些照片上面，因此有一种原始的方法出现了。就是通过在每个像素上放置三种滤镜，便可以让三色光透过传感器，从而得到彩色照片。但是这种方法很难实现，而且成本太高。因此，第一种排列方式“拜耳排列”诞生了。
RGGB排列
RGGB排列，即拜耳排列，由柯达公司的工程师Bryce Bayer发明，而拜耳排列也因此得名。这种排列方式，是当我们用CMOS或者CCD作为感光传感器，采集数字图像时常用到的一种方法。
拜耳当时并没有在每个像素上放三个颜色的滤镜，而是选择在图像传感器前面，设置一个集成滤光镜，上面布满了一个个滤光片，与下层的像素一一对应。每个滤光片只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色，这意味着在它下层的像素点只可能有三种颜色：红、绿、蓝，或者什么也没有。这样一来每个像素就都通过这个滤光镜获得了颜色和明暗信息。
不过过程存在一个缺陷，就是在一个像素点上只能获得一种颜色信息，而该位置上的其他颜色信息则会全部损失掉了。而想要得到缺失的颜色信息，就需要根据相邻像素点上的颜色信息使用算法来猜出来，就像下图。
我们在拍摄图片中1的场景时，CMOS所有像素传回来的就是图2，再加上彩色滤光片颜色，就变成了图3。但这明显不是最终的图像，图3到图4的过程，需要一系列算法进行猜色等等来补足。而算法并不能做到100%完全还原颜色，所以这种排列方式会带来无法避免的偏色问题。
RYYB排列
虽然看起来非常独特，但是这种排列方式非常好理解，就是将上文讲到的RGGB里的绿色替换为黄色。
我们知道黄色是由绿色和红色组成的，包含了红色和绿色两种色彩信息，那么通过黄色滤光片的光线信息就同时包含了红色和绿色两种。简单计算一下：
RGGB：25%R 25%G 25%G 25%B=100%
RYYB：25%R （25%R 25%G） 25B=150%
这样可以得出RYYB的进光量相当于150%的RGGB进光量，因此它在暗光环境下的拍摄能力非常强悍。
（这里要提到一个概念：“满阱容量”，光入射到CMOS后，被光电二极管转换为电子，像水杯装水一样储存，水杯会满，像素也会满。一个像素能接受的最大电子数称为满阱容量。）
因为Y通道的进光量是R和B的两倍，容易造成像素上Y溢出，为了防止溢出就需要减少曝光时间，这样其他两个通道就有可能曝光不足，因此会降低图片的动态范围，可能会让算法猜色错误造成偏色的问题。
3CMOS排列
这是由索尼推出的一种很特殊的排列，而其特殊之处，顾名思义就是区别于前文提到的两种排列都是一个CMOS搭配滤光镜，而3CMOS则是直接使用了三个CMOS。
当光线射入后，被分光镜分为三束，分别被三个CMOS接收，三个CMOS上面分别是红，绿，蓝三色的滤镜。
这种方案几乎不会损失色彩信息，有效分辨率非常高。但是它功耗高，体积大和数据大的特点也注定了他只会出现在专业领域，很少会在民用领域见到。
RGBW排列
12年左右推出的手机用RGBW排列，是将RGGB中一个绿色滤光点变成了白色滤光点，由于RGB三色滤光点，每一个都会过滤掉部分光线，这就降低了亮度，而白色滤光点能让光线能畅通无阻的进入像素内，这就提升了亮度。
RGBW的优势在于提升了照片的亮度，减少了暗光环境下的噪点，同样光照条件下进光量更多。但是少了一个绿色滤光片之后，色彩饱和度、层次感就下降了，这就带来了偏色和伪色的问题。
结语
我们常见的CMOS排列方式大致就是以上这些，在各个厂商的算法和工艺不断更新换代的今天，各种排列的问题也越来越少。本篇的内容也就此告一段落，由于专业知识的限制，文章中可能有纰漏或错误之处，欢迎指正。
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文/EMJOY
责编/同儿睡不着。
审核/M.韦伯
图/网络
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