拜尔滤色镜

一种称为拜尔滤色镜的光电传感器——类似于棋盘——覆盖有滤色器，滤色器通常由 50% 的绿色和 25% 的红色和蓝色组成。 绿色在区域分配方面享有特权，因此在分辨率方面享有特权，因为灰色调中的绿色成分对人眼的亮度感知做出了xxx贡献，因此也对对比度感知和锐度感知做出了xxx贡献：亮度和对比度的 72%灰色调的感知是由它们的绿色成分引起的，相比之下，红色仅达到 21%，蓝色仅达到 7%。 此外，绿色作为色谱中的中间颜色，通常是镜头提供最高清晰度和分辨率的颜色。

几乎所有数码相机和胶卷相机中常见的图像传感器都是根据拜耳矩阵的概念工作的。 这种传感器的概念与 Foveon X3 直接图像传感器的概念形成对比。 也比较超级 CCD 传感器。

半导体上单个光电池的感光单元只能检测亮度值（黑色、灰度和白色）。 为了获得颜色信息，在每个单独的细胞前面应用了红色、绿色或蓝色三种基色之一的微型滤色器。 例如，过滤器应用于绿-红序列中的奇数行和蓝-绿序列中的偶数行。 相应地，此时每个色点（像素点）只提供单一颜色分量的信息，因此对于一个完整的相同维度的图像，必须使用相同颜色的各个相邻像素点进行颜色插值。 对于绿色，计算 50% 的像素，对于蓝色和红色，计算必须分别填充 75% 的区域（或一行 50%，下一行 xxx）。 对于颜色插值，假设图像中相同颜色的两个相邻像素之间只有轻微的颜色差异，因此像素的灰度值不是随机独立的。 当然，这不一定适用于每个主题。 因此，严格来说，拜尔滤色镜在观看无伪影图像时只有四分之一的表观分辨率。

此外，此类传感器几乎总是具有位于传感器表面边缘的附加像素，并且通常被涂黑，以便能够确定传感器在曝光操作期间与温度相关的背景噪声，并能够拍摄它在计算中被考虑在内，例如计算补偿值，用于评价其他像素。 此外，这些像素还可以检测极度过度曝光，例如由于传感器元件的曝光时间过长。 然而，对于普通相机用户而言，它们并不重要，因为调整过程会自动运行，并且根据型号的不同，可能已经直接在传感器上实现。

为此，可以将三个独立的传感器与分束器结合使用，以准确测量每个像素处的三种原色中的每一种。 然而，这种方法昂贵且机械上难以实施。 为克服这一障碍，引入了滤色器阵列以仅用一个传感器捕获彩色图像。 滤色器阵列是交替滤色器的排列，在每个像素位置仅对一种颜色进行采样。

拜尔过滤色镜在水平和垂直方向的交替位置包含蓝色和红色滤镜，在其余位置包含绿色滤镜。 这种模式导致使用一半的图像分辨率来准确测量绿色波段。 人类视觉系统对可见光的中波长最敏感，这证明额外的绿色滤光片是合理的。 因为每个像素只采样一种颜色，所以必须恢复丢失的信息。 为此存在各种算法，从简单的线性插值到使用尽可能多的空间和光谱信息的非线性插值。 去马赛克是从滤色器阵列数据创建三个完全填充的颜色平面的过程。

上述插值可以以不同的方式进行。 简单的方法从相同颜色的相邻像素内插颜色值。 由于这个过程是有问题的，特别是垂直于边缘，其他人正在尝试更喜欢沿边缘而不是垂直于边缘执行插值的方法。 还有一些算法基于这样的假设，即即使在不断变化的照明条件下，图像中某个区域的色调也相对恒定，这意味着颜色通道彼此强烈相关。 因此首先对绿色通道进行插值，然后对红色和蓝色通道进行插值，使得红-绿和蓝-绿各自的颜色比恒定。 还有其他方法对图像内容做出不同的假设，并基于这些假设来尝试计算缺失的颜色值。 用 5 × 5 矩阵滤波器创建一个平滑的图像，然后再次锐化。

如果在特定记录中违反了算法所做的假设，则可能会出现图像错误（通常称为插值伪影）。 例如，如果边缘区域中的颜色平面由于市售镜头的色差而相对于彼此移动，则上面提到的许多高级算法使用的假设（颜色平面相关）不再适用。

另一个问题是条纹宽度大约等于单个像素的条纹图案，例如适当距离处的栅栏。 由于由这种图案生成的拜耳原始图像模式可能是由水平和垂直栅栏（不同颜色）生成的，因此算法必须决定它是水平结构还是垂直结构，以及哪种颜色组合应该被评为合理。 由于该算法不具备人类动机世界的知识，因此它经常会做出随机决定，从而做出错误决定。

给出例如一个图案部分，其中所有红色像素点亮，而绿色仅点亮红色列中的像素。

在这个简单的理论示例中，算法可以例如更喜欢整体色彩最低的变体，因此在黑色背景前采用垂直白色板条。 然而，在实践中，结构方向很难与拜耳网格完全匹配，因此对于这样的栅栏图案，没有黑白选项可供选择，但具有相似颜色合理性的几种替代方案会争夺偏好，并做出随机决定.

然而，随着现代传感器的分辨率与镜头的分辨率相匹配甚至超过镜头的分辨率，尤其是对于变焦镜头或价格较低的镜头，这些问题得到了更大程度的缓解。 由于镜头的分辨率限制（与传感器相比）不是固定的，而是定义为对比度限制，这意味着具有高伪影倾向的精细图案部分只能由传感器上对比度非常低的此类镜头成像. 因此，此类图案部分的插值伪影也具有非常低的对比度并且破坏性较小。

使用软件进行拜耳图像重建的示例。 为了清晰起见，图像被放大了 10 倍。

柯达已经试验了带有附加“白色”像素的各种像素排列。 索尼也在一些型号中安装了“白色”像素，例如在 2003 年的索尼 DSC-F 828 中使用了具有两种绿色阴影的图像传感器。

此外，还开发了一种拜耳变体，其中 2×2 块的两个绿色像素各自具有不同的滤色器（对于略微不同的绿色阴影）。