低通滤镜深入解析
8个月前 (04-21)
低通滤镜深入解析唐新平 传统胶片摄影除了成功与失败没有锐利与模糊的概念，一旦失败，没有好手段在后期锐化。
“锐化”一词，是伴随着数码影像的发展而产生的，换言之，“锐化”是数码的伴生物。
那么，数码影像为什么要锐化呢？因为，如果不锐化，数码照片就没有足够的清晰度，或者武断地说数码照片的原始图焦点发虚，看起来“疲软”，可以说这是基本事实。
要回答数码照片为什么会“发虚”，我们应先了解数码成像的结构特征、数码影像软肋——摩尔条纹、模糊计算和红外绕射，以及聪明的抉择——低通滤镜。
一、低通滤镜及其必要性 数码成像彻底绕开了胶片感光银盐的成像思路，使用电子元件作为感光介质，使光线转变为电流，以电流大小记录影像明暗，与滤光镜配，承载RGB色彩和影调，最终以像素组的形式完成影像再现。
电磁波（可见光线是其中的一小部分）是多波长复体，在成像中并非所有的电磁波都是有益的，比如紫外线、红外线等会形成轻度的焦外绕射。
对成像不利，因此需要将有害光滤除。
在传统胶片上，乳剂涂层常常达到十多层，其中部分层就承担过滤有害光的作用。
数码成像的元件不能在感光元件中分层阻隔有害光线，而是把滤光层做在感光元件的前端，这就是人们常说的低通滤镜。
图1是数码感光元件的解剖示意图，为了看得清楚，便于示意，把原来压在一起、紧贴在图像感应器（CCD或CMOS）上的三层低通滤镜拉开了距离。
这三层低通滤镜承担过滤除可见光之外的有害光线（如紫外线、红外线等）的功能，以提高影像的焦点会聚准确性，保证色彩还原准确。
低通滤镜的使用是必需的，没有它们，影像将出现大量伪色、色斑和光点慧尾，使图像失去使用价值。
更重要的是，最贴近感光元件的低通滤镜还兼有改变空间频率的作用，其作用就是把整齐节奏（比如竹篱笆、衣服上的条纹等）的影像反差降低少许，甚是轻度地打乱节奏，以防止与感光元件的整齐排列节奏干涉而出现摩尔条纹。
摩尔纹指的就是拍摄密集条纹物体时，在传感器上产生不规则条纹或伪色的现象。
而这些密集条纹反射的光束在经过透镜的折射后，交汇在一起，同时发生了一定的衍射和干涉现象（傅里叶变换）。
由于这些光线互相的干扰产生了色散和光的叠加，被传感器记录下来，导致分辨率下降。
进一步来说，摩尔纹的信息学本质是图象产生周期频谱交迭混淆(或曰拍频现象)。
我们假设CMOS的抽样频率为15 MHz，在图象信号为10 MHz时，混叠频率分量为15-10ϕ MHz，在图象信号为9 MHz处，混叠频率分量为15-9ϖ MHz，这两项混叠频率分量经电路低通滤波后都是无法滤掉的，并与有用图像信号一样被输出，如在所观测的波形中在9 MHz和10 MHz频带处叠加有5 MHz和6 MHz的信号成分。
在7 MHz信号上还会有明显的低频差拍存在，差拍频率约1MHz。
这些混叠的信号将影响图象清晰度，出现彩色条纹干扰。
这些高频信息就来自常见的有着密集条纹或是纹理的物体的反射光。
因此拍摄他们很容易出现摩尔纹。
由于CMOS离散像素受到采样频率的限制，以及由于芯片总的感光面积较小而受到二维孔径光阑的影响，所以又产生了一些新的频谱问题，直接影响CMOS的成像清晰度和分辨能力。
CMOS图像传感器在垂直和水平方向传输光学信息都是离散的取样方式，这是因为它的光敏单元在水平方向也是离散的。
因此我们要找到办法把入射光线的空间频率降低，把光线“离散”化——这就是第三层低通滤镜的原理所在。
二、低通滤镜的问题及解决方案 低通滤镜是极薄的镀膜透明材料制作的，光线通过这些滤镜后的损失很小。
然而，即使再薄，也是蒙在数码成像元件“眼睛”上的“太阳镜”。
况且是三片（有的相机是一片或两片），对影像的清晰度一定会带来不良影响。
改变空间频率的低通滤镜对成像锐度的影响是显而易见的。
可能会有人问，那么减少低通滤镜不是可以提高清晰度呢？是的。
的确有这样的数码相机来解决这一问题，如图2所示，只有1~2片低通滤镜，加上色彩饱和度强化的处理器。
此前的这种相机的原始图看上去清晰度提高了。
直接在数码相机的液晶显示屏上看，很讨人喜欢。
不明就里的人会很赞赏这种色彩饱和、成像锐利的相机。
殊不知，这种“讨人喜欢”的相机所拍摄的照片，其中的“硬伤”就是很难在后期制作中处理。
数码相机使用滤镜的多少以及采用何种数字影像生成器，乃使用什么编程，与相机的专业程度、造价、画质标准和针对的客户群有关。
图3是佳能针对不同用户群的相机设计思路示意。
专业人员注重后期处理，因此，专业相机内部不做或很少做图像优化处理，而交给专业摄影师“原汁原味”、富含原始影调和色彩信息的“原图”。
众所周知，原图的调整空间大，可以更好发挥作者的二次创作才能，特别是RAW格式的原图，能够转换为ProPhoto RGB 16位图像，可以获得单色65536级阶调，总计687亿种色彩。
其信息容量大得难以想像，但是，越是宽容度大，记录丰富色彩信息细节的影像看上去反差越低，色彩饱和度越不鲜艳。
不明白这个原理的人，看了此类专业级图像，会认为数码相机拍摄的照片不如胶片鲜艳明快，这只是表面认识，经过专业的后期调整，数码影像会有令人惊异的出色表现。
在层次、色彩再现、宽容度和细节刻画等方面超越胶片。
那么，没有后期处理能力，或没时间不想做后期处理的人用什么相机呢？ 这里显示了非专业相机的应用方案。
针对没有时间或没有能力或没有兴趣做后期处理的用户，普通非专业相机可以为你做好一切。
此类相机采取这样的设计思路：内置色彩优化和锐化程序、没有或减少低通滤镜的数量，在相机中应用较低程度模糊算法，使照片在相机上看或下载到电脑上不做任何处理，就可以达到明丽清晰的程度，满足一般纪念照、网络用图、旅游照等家庭用户和个人用户的使用要求。
当然，在享受便捷的同时，您也必须容忍这种照片色彩过渡层次少、噪点大且难以消除、放大倍率小、焦点依然不够清晰、后期制作空间小、容易出现摩尔条纹等缺陷。
数码相机，特别是专业数码相机，其独特的成像原理和结构特征，是形成影像“疲软”的根本原因之一。
您是否发现过卡片相机拍摄的照片，从相机后面的液晶屏上看，比专业相机拍摄的照片漂亮。
各位想一想，能够在卡片相机上做到的技术，为什么不应用在专业相机上？是厂商疏忽了吗？显然不是，这就是数码相机与传统胶片相机的显著不同。
胶片大中画幅相机拍摄的照片画质一定优于傻瓜相机。
因为胶片是一镜定格、一次成片，而数码影像是前后期结才能获得高画质，因此专业相机拍摄的照片初看起来可能不如把前后期为一体的卡片相机。
所以，后期制作是数码影像的必修课，而软件又是这门必修课中的重点。
三、低通滤镜及数码相机的未来 低通滤镜是CMOS能力有限的情况下的权宜之计。
根据上面的分析，未来的机器可以去低通，去低通是一个发展方向。
诚如前述，历史上及目前已有的去低通滤镜的机器主要有：徕卡M8、M9，佳能EOS 20Da，尼康D800E，尼康D7100，尼康D810，索尼RX1R，索尼RX1R II，适马Foveon X3，富士X-T1，宾得K-3 II，佳能EOS 5DS R，等。
现在各大厂商都已经意识到了提高画质这一问题，纷纷取消了低通滤镜的设计，但是摩尔纹这个老大难的问题还是依然没有解决，网上的宣传炒作，更多的是一种商业嘘头，针对的是中低端市场。
想要找到一个中和的方法还是需要慢慢的探索与研发，无论是利用处理器来解决还是在图像传感器上做文章，这些技术都将成为推动影像行业发展的重要一笔。
对于画质的要求驱使着低通滤镜这一技术会渐渐的走向下坡，取消低通滤镜也许将成为未来相机的发展方向。
“锐化”一词，是伴随着数码影像的发展而产生的，换言之，“锐化”是数码的伴生物。
那么，数码影像为什么要锐化呢？因为，如果不锐化，数码照片就没有足够的清晰度，或者武断地说数码照片的原始图焦点发虚，看起来“疲软”，可以说这是基本事实。
要回答数码照片为什么会“发虚”，我们应先了解数码成像的结构特征、数码影像软肋——摩尔条纹、模糊计算和红外绕射，以及聪明的抉择——低通滤镜。
一、低通滤镜及其必要性 数码成像彻底绕开了胶片感光银盐的成像思路，使用电子元件作为感光介质，使光线转变为电流，以电流大小记录影像明暗，与滤光镜配，承载RGB色彩和影调，最终以像素组的形式完成影像再现。
电磁波（可见光线是其中的一小部分）是多波长复体，在成像中并非所有的电磁波都是有益的，比如紫外线、红外线等会形成轻度的焦外绕射。
对成像不利，因此需要将有害光滤除。
在传统胶片上，乳剂涂层常常达到十多层，其中部分层就承担过滤有害光的作用。
数码成像的元件不能在感光元件中分层阻隔有害光线，而是把滤光层做在感光元件的前端，这就是人们常说的低通滤镜。
图1是数码感光元件的解剖示意图，为了看得清楚，便于示意，把原来压在一起、紧贴在图像感应器（CCD或CMOS）上的三层低通滤镜拉开了距离。
这三层低通滤镜承担过滤除可见光之外的有害光线（如紫外线、红外线等）的功能，以提高影像的焦点会聚准确性，保证色彩还原准确。
低通滤镜的使用是必需的，没有它们，影像将出现大量伪色、色斑和光点慧尾，使图像失去使用价值。
更重要的是，最贴近感光元件的低通滤镜还兼有改变空间频率的作用，其作用就是把整齐节奏（比如竹篱笆、衣服上的条纹等）的影像反差降低少许，甚是轻度地打乱节奏，以防止与感光元件的整齐排列节奏干涉而出现摩尔条纹。
摩尔纹指的就是拍摄密集条纹物体时，在传感器上产生不规则条纹或伪色的现象。
而这些密集条纹反射的光束在经过透镜的折射后，交汇在一起，同时发生了一定的衍射和干涉现象（傅里叶变换）。
由于这些光线互相的干扰产生了色散和光的叠加，被传感器记录下来，导致分辨率下降。
进一步来说，摩尔纹的信息学本质是图象产生周期频谱交迭混淆(或曰拍频现象)。
我们假设CMOS的抽样频率为15 MHz，在图象信号为10 MHz时，混叠频率分量为15-10ϕ MHz，在图象信号为9 MHz处，混叠频率分量为15-9ϖ MHz，这两项混叠频率分量经电路低通滤波后都是无法滤掉的，并与有用图像信号一样被输出，如在所观测的波形中在9 MHz和10 MHz频带处叠加有5 MHz和6 MHz的信号成分。
在7 MHz信号上还会有明显的低频差拍存在，差拍频率约1MHz。
这些混叠的信号将影响图象清晰度，出现彩色条纹干扰。
这些高频信息就来自常见的有着密集条纹或是纹理的物体的反射光。
因此拍摄他们很容易出现摩尔纹。
由于CMOS离散像素受到采样频率的限制，以及由于芯片总的感光面积较小而受到二维孔径光阑的影响，所以又产生了一些新的频谱问题，直接影响CMOS的成像清晰度和分辨能力。
CMOS图像传感器在垂直和水平方向传输光学信息都是离散的取样方式，这是因为它的光敏单元在水平方向也是离散的。
因此我们要找到办法把入射光线的空间频率降低，把光线“离散”化——这就是第三层低通滤镜的原理所在。
二、低通滤镜的问题及解决方案 低通滤镜是极薄的镀膜透明材料制作的，光线通过这些滤镜后的损失很小。
然而，即使再薄，也是蒙在数码成像元件“眼睛”上的“太阳镜”。
况且是三片（有的相机是一片或两片），对影像的清晰度一定会带来不良影响。
改变空间频率的低通滤镜对成像锐度的影响是显而易见的。
可能会有人问，那么减少低通滤镜不是可以提高清晰度呢？是的。
的确有这样的数码相机来解决这一问题，如图2所示，只有1~2片低通滤镜，加上色彩饱和度强化的处理器。
此前的这种相机的原始图看上去清晰度提高了。
直接在数码相机的液晶显示屏上看，很讨人喜欢。
不明就里的人会很赞赏这种色彩饱和、成像锐利的相机。
殊不知，这种“讨人喜欢”的相机所拍摄的照片，其中的“硬伤”就是很难在后期制作中处理。
数码相机使用滤镜的多少以及采用何种数字影像生成器，乃使用什么编程，与相机的专业程度、造价、画质标准和针对的客户群有关。
图3是佳能针对不同用户群的相机设计思路示意。
专业人员注重后期处理，因此，专业相机内部不做或很少做图像优化处理，而交给专业摄影师“原汁原味”、富含原始影调和色彩信息的“原图”。
众所周知，原图的调整空间大，可以更好发挥作者的二次创作才能，特别是RAW格式的原图，能够转换为ProPhoto RGB 16位图像，可以获得单色65536级阶调，总计687亿种色彩。
其信息容量大得难以想像，但是，越是宽容度大，记录丰富色彩信息细节的影像看上去反差越低，色彩饱和度越不鲜艳。
不明白这个原理的人，看了此类专业级图像，会认为数码相机拍摄的照片不如胶片鲜艳明快，这只是表面认识，经过专业的后期调整，数码影像会有令人惊异的出色表现。
在层次、色彩再现、宽容度和细节刻画等方面超越胶片。
那么，没有后期处理能力，或没时间不想做后期处理的人用什么相机呢？ 这里显示了非专业相机的应用方案。
针对没有时间或没有能力或没有兴趣做后期处理的用户，普通非专业相机可以为你做好一切。
此类相机采取这样的设计思路：内置色彩优化和锐化程序、没有或减少低通滤镜的数量，在相机中应用较低程度模糊算法，使照片在相机上看或下载到电脑上不做任何处理，就可以达到明丽清晰的程度，满足一般纪念照、网络用图、旅游照等家庭用户和个人用户的使用要求。
当然，在享受便捷的同时，您也必须容忍这种照片色彩过渡层次少、噪点大且难以消除、放大倍率小、焦点依然不够清晰、后期制作空间小、容易出现摩尔条纹等缺陷。
数码相机，特别是专业数码相机，其独特的成像原理和结构特征，是形成影像“疲软”的根本原因之一。
您是否发现过卡片相机拍摄的照片，从相机后面的液晶屏上看，比专业相机拍摄的照片漂亮。
各位想一想，能够在卡片相机上做到的技术，为什么不应用在专业相机上？是厂商疏忽了吗？显然不是，这就是数码相机与传统胶片相机的显著不同。
胶片大中画幅相机拍摄的照片画质一定优于傻瓜相机。
因为胶片是一镜定格、一次成片，而数码影像是前后期结才能获得高画质，因此专业相机拍摄的照片初看起来可能不如把前后期为一体的卡片相机。
所以，后期制作是数码影像的必修课，而软件又是这门必修课中的重点。
三、低通滤镜及数码相机的未来 低通滤镜是CMOS能力有限的情况下的权宜之计。
根据上面的分析，未来的机器可以去低通，去低通是一个发展方向。
诚如前述，历史上及目前已有的去低通滤镜的机器主要有：徕卡M8、M9，佳能EOS 20Da，尼康D800E，尼康D7100，尼康D810，索尼RX1R，索尼RX1R II，适马Foveon X3，富士X-T1，宾得K-3 II，佳能EOS 5DS R，等。
现在各大厂商都已经意识到了提高画质这一问题，纷纷取消了低通滤镜的设计，但是摩尔纹这个老大难的问题还是依然没有解决，网上的宣传炒作，更多的是一种商业嘘头，针对的是中低端市场。
想要找到一个中和的方法还是需要慢慢的探索与研发，无论是利用处理器来解决还是在图像传感器上做文章，这些技术都将成为推动影像行业发展的重要一笔。
对于画质的要求驱使着低通滤镜这一技术会渐渐的走向下坡，取消低通滤镜也许将成为未来相机的发展方向。