鏡頭色散與紫邊現象

色散是一種光學現象,在光學儀器裏色散是一種缺陷,“色散”顧名思義就是光通過光學鏡片後不同顏色的光出現分離散開的現象。除了激光類比較純的光源外,自然界裏大多數光源都是由多種不同顏色的光混合而成,如太陽光就是由七色可見光和紅外紫外等組合的混合光。造成的色散的主要原因是:不同顏色的光有着不同的波長,普通光學元件的折射率會因光的波長不同而改變。具體表現在照相上,色散會影響到成像的色純度和間接的成像銳度,也就是說色散大的狗頭鏡頭拍出的照片顏色不正不濃郁和清晰度差。而那些高價的牛頭因使用了昂貴的低色散材料加工成的鏡片,所以拍出的照片就色彩純正清晰耐看。





紫邊現象:

數碼相機的紫邊是指數碼相機在拍攝取過程中由於被攝物體反差較大,在高光與低光部位交界處出現的色斑的現象即爲數碼相機的紫色(或其它顏色)

紫邊出現的原因與相機鏡頭的色散、CCD成像面積過小(成像單元密度大)、相機內部的信號處理算法等有關。
紫邊現象是所有數碼相機的“通病”,需要長期改善。
(一)“紫邊”問題的出現
  使用數碼相機或者數碼攝像機,可能常常會發現,在拍攝高反差大背光物體的照片中,物體邊緣出現了刺眼的“紫邊”,這一點,幾乎絕大部分DC和DV都存在此問題,無一倖免,差別只是程度問題,有的格外嚴重有的程度稍輕。
  (二)爭論和解釋
  這個困擾大家N長時間的問題,想解決它,就首先得弄清楚問題產生的根源到底在哪兒,罪魁禍首到底是誰?
  百花齊放百家爭鳴,各種各樣的解釋出現了,有的說是鏡頭質量問題,有的說是光學色散問題,有的說是軟件算法問題,各持一詞,莫衷一是,每一種說法,聽起來都有點道理,但又不能完美的解釋所有的現象和問題。你說是鏡頭問題吧,那傳統銀鹽膠捲相機上卻從來沒有出現此類問題,哪怕是100多元塑料鏡頭的Tom相機;你說是光學色散問題吧,色散的表現又不是這個樣子的,很勉強;你說是軟件算法問題吧,有點道理,可似乎不是根本原因,算法問題不至於這麼難以解決。
  開始,我也很迷惑,當時,在dpreivew(可以算是數碼攝影器材第一權威網站了吧)上看到了PhilAsky對紫邊的定義和解釋——ChromaticAberration(色差),乍一看很有道理,可是問題是爲什麼只有DC。DV纔有這個問題,Phil的解釋沒能解答這個問題。慢慢地,隨着對DC、DV成像原理的深入瞭解,尤其是PMA2002上Foveon公司的X3CMOS技術的提示,我發現Phil的解釋可以說是誤入歧途。
  ChromaticAberration(色差),有着很清晰的定義,就是鏡頭光學上的誤差,原理上簡單說,鏡頭成像因爲光或者其他輻射的波長不同而變化的一種光學缺陷,色差有兩種,一種是AxialChromaticAberration,另一種是TransverseChromaticAberration,都會導致白光“分散”成光斑或者彩虹狀的光邊。具體體現在照片上,就是影像的邊緣原本是單純白色,因爲色差而變成RGB三原色不能重疊在同一線。
  從現象上來說,ChromaticAberration可以解釋紫邊問題,但是ChromaticAberration說不能解釋的是,爲何採用同樣的鏡頭,DC/DV和傳統銀鹽相機相比會有截然不同地表現。
  (三)抓出“紫邊”的真兇
  其實,DC/DV上出現的紫邊現象,正確的理解,根源原因有如下兩點:
  1。衍射
  2。Mosaic遮罩濾鏡式CCD的彩色插值
  這兩點,衍射是導火索,真兇是CCD!
  就這兩點挨個分析:
  衍射,學過大學普通物理-光學的都明白,一種光波的基本特性,其理論基礎是——光線是一種波,有一定的波長。
  當光線通過一些小孔或者窄縫時,在物體的邊緣出現的光波分散現象。由此可得,高反差大背光景物,當強光通過其邊緣時,就已經產生了衍射現象(顏色化邊),然後纔會經過鏡頭成像。所以,把出現顏色花邊歸罪於鏡頭品質是錯誤的。
  但是[1]  同樣的光學衍射,爲什麼偏偏在DC/DV上變成了刺眼的紫邊呢?
  其實,與其叫做紫邊,科學的來說,應該叫做洋紅邊,HEhe,通過Photoshop中對“紫邊”的色彩分析,可以發現,大部分紫邊的主要構成就是洋紅(Magenta,CMYK四色之一),這些紫邊(抑或洋紅邊)到底如何出現的呢?
  ——紫邊,是由於高反差大背光靜物邊緣,產生光學衍射,加上DC/DV的CCD在色彩插值時的固有缺陷造成!
  分析現在現在的CCD(除了FoveonX3CMOS)都是Mosaic遮罩式,CCD本身不感知色彩,透過CCD每個象素前面的RGB(或者CYGM)濾鏡,一個象素只測R,G,B其中一種原色的密度,再由相機內部軟件進行彩色化插值處理,利用周邊象素信息“猜測”插值出其他顏色。(詳細的CCD成像原理不是這篇文章的重點,感興趣的可以參考其他專業文章論述),注意!產生紫邊的關鍵點就在這個彩色插值過程中!這個插值過程並不可能完全反映真實的色彩分佈(就紫邊而言就是那部分邊緣產生的衍射部分),相機裏的算法只能通過周邊的象素“推測”出真正的全色分佈,這也造成了邊緣不清晰,色彩干擾等一系列問題,也產生了刺眼的紫邊
  也許你會問了,那爲什麼色彩“推測”式插值後,產生的不是綠邊,黃邊,黑邊,而是紫邊呢?根據對MosaicCCD的GRGB濾鏡的分析,濾鏡的排列方式一般都是BayerBattern,
  RGRGRGRG
  GBGBGBGB
  RGRGRGRG
  GBGBGBGB
  RGRGRGRG
  可以看出,而由於彩色插值“推測式”算法,R+B時最容易推測出來的——就是Magenta洋紅,就是大部分紫邊的主色;另外,還有一大堆的G,B什麼地組合,實際檢驗高反差大背光景物照片發現,除了紫邊,還有蘭邊,還有同一個衍射邊緣,同時出現藍和洋紅等色邊……按照我的分析,應該是各個相機的具體插值算法差異。這一點可以在Phil的網站上各個相機的評測中,都有專門對紫邊的測試中看出,沒有一個是沒有一長色邊的,有的是紫邊,改進了,就成了肉眼不恨敏感的蘭邊什麼的……
  事實上,從DV上也可以看出,單CCDDV,出現紫邊的機率不比DC低,但是高端的3CCDDV,由於RGB三色分色處理,無需色彩插值,因此,3CCDDV上,就壓根沒了紫邊問題。
  (四)結論
  從上面的分析可以得出,紫邊問題完全是MosaicCCD在處理衍射邊緣時彩色插值算法的固有缺陷造成。在高背光物體邊緣,物體邊緣的光線會產生衍射,在膠片上反映爲邊緣質素降低而在MosaicCCD成像的DC、DV上,更會因爲“猜測”性插值的簡單粗暴化特性出現洋紅或者藍色的異常色邊,肉眼整體看來,效果就是紫邊了。
  所以,我們可以得出結論——不根本改變目前的Mosaic遮罩式CCD,“紫邊”的問題永遠不可能從根本上解決,但是,可以通過改進插值算法,使"紫邊"顯現起來讓肉眼不那麼敏感(這就是各個相機廠家的功力了,這也可以說明爲什麼CanonG1和G2同樣用一款鏡頭,而G1紫邊較嚴重,G2就有很大改進幾乎看不出來(變成了淺藍色、灰色邊)——軟件算法改進了嘛)

解決方法

編輯

  根本解決在DC/DV上的紫邊問題,就要革單MosaicCCD的命——要麼就用3CCD分別處理,要麼……
  欣慰的是,Foveon的X3CMOS,革命性的徹底改變了傳統的CCD的Mosaic遮罩方式,也從根源上使得紫邊問題永遠不會發生(因爲X3CMOS每一個象素色彩都是真實感應而不存在一星半點的插值和“猜測”)。
  就目前的DC/DV而言,沒有治本的良方,但可以治標,拍攝時就注意避免高反差大背光景物,要不就閃光燈什麼地補點光降低些反差。要麼就後期通過Photoshop,針對紫邊中的洋紅色進行替換處理。
照片紫邊案例照片紫邊案例



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