Mengapa kamera tidak menawarkan lebih dari 3 saluran warna? (Atau apakah mereka?)

Saat ini, sebagian besar (semua?) Kamera yang tersedia secara komersial menangkap cahaya dalam tiga saluran warna: merah, hijau dan biru. Bagi saya sepertinya akan sangat berguna untuk memiliki kamera dengan rentang dan resolusi spektral yang lebih besar, jadi saya bertanya-tanya mengapa kamera tidak tersedia yang menangkap lebih dari tiga saluran warna.

Apa maksud saya sebenarnya?

Ada beberapa pertanyaan di komentar (sejak dihapus) tentang apa yang saya maksudkan, jadi saya ingin memberikan penjelasan yang lebih baik. Cahaya tampak berkisar dari sekitar 390-700nm panjang gelombang. Ada banyak panjang gelombang tak terbatas di antara dua titik akhir ini, tetapi mata memiliki kapasitas yang sangat terbatas untuk membedakannya, karena hanya memiliki tiga fotoreseptor warna. Kurva respons untuk ini ditunjukkan pada bagian (a) dari gambar di bawah ini. ( Versi yang lebih besar .) Ini memungkinkan kita untuk melihat warna yang berbeda tergantung pada frekuensi cahaya, karena cahaya frekuensi rendah akan lebih berpengaruh pada reseptor biru dan cahaya frekuensi tinggi akan lebih berpengaruh pada reseptor merah.

Sensor digital dalam kamera bekerja dengan memiliki filter di depan pikselnya, dan biasanya ada tiga jenis filter. Ini dipilih dengan kurva respons sedekat mungkin dengan gambar (a) di atas, untuk meniru apa yang dilihat mata manusia.

Namun, secara teknologi tidak ada alasan mengapa kami tidak dapat menambahkan jenis filter keempat, misalnya dengan puncak di antara biru dan hijau, seperti yang ditunjukkan pada gambar (b). Pada bagian selanjutnya saya menjelaskan mengapa itu akan berguna untuk pasca-pemrosesan foto, meskipun itu tidak sesuai dengan apa pun yang dapat dilihat mata.

Kemungkinan lain adalah menambahkan saluran tambahan dalam infra-merah atau ultraviolet, seperti yang ditunjukkan pada gambar (c), memperluas jangkauan spektral kamera. (Ini kemungkinan lebih menantang secara teknis.)

Akhirnya, kemungkinan ketiga adalah membagi rentang frekuensi lebih halus, menghasilkan kamera dengan resolusi spektral tinggi. Dalam versi ini, saluran RGB biasa harus dibangun dalam perangkat lunak dari data yang lebih halus yang dihasilkan oleh sensor.

Pertanyaan saya adalah mengapa DSLR umumnya tidak menawarkan opsi-opsi ini selain (a), dan apakah ada kamera yang menawarkan yang lain. (Saya bertanya tentang jenis kamera yang akan Anda gunakan untuk mengambil gambar - Saya tahu ada instrumen ilmiah yang menawarkan fitur semacam ini.)

Mengapa ini berguna?

Saya telah bermain-main dengan mengedit foto hitam putih, dari pengambilan gambar berwarna yang diambil dengan DSLR saya. Saya menemukan proses ini menarik karena ketika mengedit foto B&W tiga saluran RGB hanya menjadi sumber data tentang adegan tersebut. Warna aktual yang mereka wakili hampir tidak relevan - saluran biru bermanfaat terutama karena objek dalam pemandangan berbeda dalam jumlah cahaya yang dipantulkan dalam rentang panjang gelombang itu, dan fakta bahwa itu sesuai dengan apa yang dilihat mata manusia sebagai "biru" jauh kurang relevan.

Memiliki tiga saluran memberikan banyak fleksibilitas dalam mengontrol pemaparan aspek yang berbeda dari gambar B&W akhir. Terpikir oleh saya ketika melakukan ini bahwa saluran warna keempat akan memberikan fleksibilitas lebih, dan jadi saya bertanya-tanya mengapa hal seperti itu tidak ada.

Saluran warna ekstra akan berguna untuk fotografi warna serta hitam dan putih, dan untuk alasan yang sama. Anda hanya akan membangun masing-masing saluran RGB dengan cara yang sama seperti Anda membangun gambar B&W sekarang, dengan menggabungkan data dari saluran yang berbeda mewakili cahaya rentang frekuensi yang berbeda. Untuk sebagian besar tujuan ini akan dilakukan secara otomatis dalam perangkat lunak, tetapi akan menawarkan lebih banyak fleksibilitas dalam hal opsi pasca-pemrosesan.

Sebagai contoh sederhana bagaimana ini bisa berguna, kita tahu bahwa tanaman sangat reflektif dalam inframerah dekat. Fakta ini sering digunakan untuk menghasilkan bidikan efek khusus yang mencolok, di mana tanaman tampak berwarna putih cerah. Namun, jika Anda memiliki gambar infra-merah sebagai saluran keempat dalam perangkat lunak pengeditan Anda, itu akan tersedia untuk memproses gambar berwarna, misalnya dengan mengubah paparan semua tanaman dalam gambar, sementara meninggalkan lebih sedikit objek reflektif IR sendirian.

Dalam kasus infra-merah, saya mengerti bahwa ada alasan fisik mengapa sulit untuk membuat sensor yang tidak peka terhadap IR, sehingga sensor digital biasanya memiliki filter pemblokir IR di depannya. Tetapi harus dimungkinkan untuk membuat sensor dengan resolusi spektral yang lebih tinggi dalam rentang yang terlihat, yang akan memungkinkan jenis keuntungan yang sama.

Orang mungkin berpikir bahwa fitur ini akan kurang berguna di zaman pemrosesan digital, tetapi saya benar-benar berpikir itu akan muncul sendiri sekarang. Batas apa yang dapat Anda lakukan secara digital ditentukan oleh data yang tersedia, jadi saya akan membayangkan bahwa sejumlah besar data spektral akan memungkinkan teknik pemrosesan yang tidak bisa ada sama sekali tanpa itu.

Pertanyaan

Saya ingin tahu mengapa fitur ini sepertinya tidak ada. Apakah ada tantangan teknis yang sangat besar dalam membuat sensor dengan empat atau lebih saluran warna, atau apakah alasannya lebih karena kurangnya permintaan untuk fitur seperti itu? Apakah sensor multi-saluran ada sebagai upaya penelitian? Atau apakah saya salah tentang manfaatnya?

Atau, jika memang ada (atau telah ada di masa lalu), kamera mana yang telah menawarkannya, dan apa kegunaan utamanya? (Saya ingin melihat contoh gambar!)

Mengapa kamera tidak menawarkan lebih dari 3 saluran warna?

Biayanya lebih tinggi untuk memproduksi (memproduksi lebih dari satu jenis apa saja lebih mahal) dan memberikan hampir tidak ada (dipasarkan) keunggulan dibandingkan Bayer CFA.

(Atau apakah mereka?)

Mereka lakukan. Beberapa kamera termasuk yang dijual memiliki filter RGBW (RGB + White) RGBE (RGB + Emerald), CYGM (Cyan Yellow Green Magenta) atau filter CYYM (Cyan Yellow Yellow Magenta).

Bagi saya sepertinya akan sangat berguna untuk memiliki kamera dengan rentang dan resolusi spektral yang lebih besar, jadi saya bertanya-tanya mengapa kamera tidak tersedia yang menangkap lebih dari tiga saluran warna.

Jumlah saluran tidak secara langsung terkait dengan rentang spektral.

Apakah ada tantangan teknis yang sangat besar dalam membuat sensor dengan empat atau lebih saluran warna, atau apakah alasannya lebih karena kurangnya permintaan untuk fitur seperti itu?

Kurangnya permintaan adalah faktor penentu.

Selain itu filter CYYM / CYGM menyebabkan peningkatan noise warna karena mereka memerlukan operasi aritmatika dengan koefisien besar selama konversi. Resolusi luminance bisa lebih baik, dengan mengorbankan noise warna.

Apakah sensor multi-saluran ada sebagai upaya penelitian? Atau apakah saya salah tentang manfaatnya?

Anda salah dalam rentang spektral yang akan lebih besar dengan lebih banyak saluran, Anda benar bahwa saluran keempat menyediakan sejumlah teknik pemrosesan yang menarik untuk warna dan monoton.

Atau, jika memang ada (atau telah ada di masa lalu), kamera mana yang telah menawarkannya, dan apa kegunaan utamanya?

Sony F828 dan Nikon 5700 misalnya, mereka dan beberapa lainnya bahkan tersedia bekas. Itu adalah kamera yang umum digunakan.

Sangat menarik untuk mengetahui bahwa rentang spektral tidak hanya dibatasi oleh cermin panas yang ada di sebagian besar kamera, tetapi juga dengan sensitivitas fotodioda yang membentuk sensor. Saya tidak tahu jenis fotodioda apa yang sebenarnya digunakan dalam kamera konsumen, tetapi di sini ada grafik contoh yang menunjukkan batasan semikonduktor:

Mengenai perangkat lunak yang dapat digunakan untuk mengekstrak saluran keempat: itu mungkin dcrawtetapi harus dimodifikasi dan dikompilasi ulang untuk mengekstrak hanya satu saluran.

Ada matriks 4x3 untuk F828 dcraw.cyang memanfaatkan saluran keempat. Ini adalah ide: { 7924,-1910,-777,-8226,15459,2998,-1517,2199,6818,-7242,11401‌​‌​,3481 }- ini adalah matriks dalam bentuk linear, kemungkinan besar setiap nilai keempat mewakili Emerald. Anda mengubahnya menjadi ini: { 0,0,0,8191,0,0,0,0,0,0,0,0 }(Saya tidak tahu nomor apa yang harus ada di sana daripada 8191, hanya menebak-nebak), mengkompilasi ulang dan gambar output mendapatkan saluran Emerald setelah demosaicing di saluran merah (jika saya memahami sumber dengan benar).

Beberapa catatan dari insinyur sistem optik lama ini. Pertama, ada hal-hal yang disebut kamera "hyperspectral" yang menggunakan parutan atau setara untuk memecah cahaya yang masuk menjadi puluhan atau bahkan beberapa ratus saluran warna (panjang gelombang). Ini seperti yang Anda bayangkan tidak digunakan, atau berguna, untuk menghasilkan foto berwarna semata, tetapi bagus untuk membedakan garis spektrum pita sempit yang dipancarkan, atau dipantulkan, dari bahan tertentu. ahli geologi, misalnya, menggunakannya untuk mengidentifikasi endapan mineral dengan menggunakan kamera hiperspektral yang dipasang di pesawat terbang.

Selanjutnya, ada perbedaan besar antara warna yang dihasilkan oleh masing-masing panjang gelombang (energi foton) dan warna yang dilihat mata kita. Kami memiliki tiga, atau untuk beberapa orang beruntung, empat kerucut yang berbeda, masing-masing dengan kurva respons spektral yang berbeda. Anda dapat menemukan kurva ini di seluruh internet, termasuk gambar pertama di halaman Wikipedia itu. Selanjutnya, rentang warna / rona yang kami rasakan mencakup seluruh peta , sedangkan warna yang dihasilkan oleh panjang gelombang foton tunggal membentuk garis di area peta itu.

Sejumlah percobaan, termasuk beberapa yang spektakuler yang dijalankan oleh Edwin Land, telah menunjukkan bahwa mencampur RGB sudah cukup untuk memungkinkan mata merekonstruksi semua warna penglihatan yang mungkin. (Sebenarnya, ternyata hanya dua warna ditambah representasi abu-abu dari yang lain sudah cukup. Pemrosesan optik di otak benar-benar aneh)

Sensor kamera RGB sangat populer karena mereproduksi penglihatan manusia

Itulah yang dibutuhkan kebanyakan orang - membuat foto yang terlihat seperti apa yang kita lihat.

Mengganti subpiksel RGB dengan lebih banyak jenis filter untuk membedakan lebih banyak band dengan resolusi spektral yang lebih baik akan berhasil tetapi:

• hanya untuk satu tujuan . Setiap orang membutuhkan filter RGB yang sama untuk membuat foto yang layak, tetapi ada banyak band spektral yang mungkin berguna bagi seseorang. Anda tidak dapat membuat kamera universal dengan cara ini.

• itu akan mengurangi sensitivitas keseluruhan sensor . Setiap subpiksel yang diberikan tidak berguna untuk semua cahaya kecuali untuk pita sempit yang diterimanya. Lebih banyak filter = lebih banyak cahaya yang terbuang.

Jadi, daripada membuat sensor khusus yang sempit, lebih baik memiliki sensor tanpa filter bawaan sama sekali, dan cukup bertukar filter selama akuisisi gambar. Dengan cara ini seluruh area sensor digunakan dengan setiap filter, bukan hanya sebagian kecil yang memiliki subpixel yang cocok.

Ada tiga sensor warna di mata manusia. Profil spektral mereka luas dan tumpang tindih. Mereka masing-masing mengirim sinyal saraf ke otak tempat input ditafsirkan sebagai warna. Komentar dalam jawaban sebelumnya tentang pemrosesan di otak menjadi aneh benar. Karena ini hanya diperlukan 3 stimuli untuk warna yang diberikan. Lihatlah artikel Wikipedia tentang penglihatan warna untuk lebih jelasnya.

Ada juga kamera multi spektral dengan saluran tambahan untuk cahaya IR dan UV tetapi tidak sebagai produk konsumen.