高光反差情况下出现紫边的成因分析

有道理…

“紫边”问题的根源

（一）问题的出现使用数码相机或者数码摄像机，大家可能常常会发现，在拍摄高反差大背光物体的照片中，物体边缘出现了刺眼的“紫边”（Purple Fringing），这一点，几乎绝大部分DC和DV都存在此问题，无一幸免，差别只是程度问题，有的格外严重有的程度稍轻。这个问题困扰了大家很久。

（二）争论和解释这个困扰大家N长时间的问题，想解决它，就首先得弄清楚问题产生的根源到底在哪儿，罪魁祸首到底是谁？百花齐放百家争鸣，各种各样的解释出现了，有的说是镜头质量问题，有的说是光学色散问题，有的说是软件算法问题，各持一词，莫衷一是，每一种说法，听起来都有点道理，但又不能完美的解释所有的现象和问题。你说是镜头问题吧，那传统银盐胶卷相机上却从来没有出现此类问题，哪怕是100多元塑料镜头的Tom相机；你说是光学色散问题吧，色散的表现又不是这个样子的，很勉强；你说是软件算法问题吧，有点道理，可似乎不是根本原因，算法问题不至于这么难以解决。开始，我也很迷惑，当时，在dpreivew（可以算是数码摄影器材第一权威网站了吧）上看到了Phil Asky对紫边的定义和解释——Chromatic Aberration（色差），乍一看很有道理，可是问题是为什么只有DC。DV才有这个问题，Phil的解释没能解答这个问题。慢慢地，随着对DC、DV成像原理的深入了解，尤其是PMA2002上Foveon公司的X3 CMOS技术的提示，我发现Phil的解释可以说是误入歧途。Chromatic Aberration（色差），有着很清晰的定义，就是镜头光学上的误差，原理上简单说，镜头成像因为光或者其他辐射的波长不同而变化的一种光学缺陷，色差有两种，一种是Axial Chromatic Aberration，另一种是Transverse Chromatic Aberration，都会导致白光“分散”成光斑或者彩虹状的光边。具体体现在照片上，就是影像的边缘原本是单纯白色，因为色差而变成RGB三原色不能重叠在同一线。从现象上来说，Chromatic Aberration可以解释紫边问题，但是Chromatic Aberration说不能解释的是，为何采用同样的镜头，DC/DV和传统银盐相机相比会有截然不同地表现。

（三）抓出“紫边”的真凶其实，DC/DV上出现的紫边现象，正确的理解，根源原因有如下两点：1. 衍射（Diffraction）2. Mosaic遮罩滤镜式CCD的彩色插值这两点，衍射是导火索，真凶是CCD！就这两点挨个分析：衍射（Diffraction），学过大学普通物理－光学的都明白，一种光波的基本特性，其理论基础是——光线是一种波，有一定的波长。当光线通过一些小孔或者窄缝时，在物体的边缘出现的光波分散现象。由此可得，高反差大背光景物，当强光通过其边缘时，就已经产生了衍射现象(颜色化边)，然后才会经过镜头成像。所以，把出现颜色花边归罪于镜头品质是错误的。好了，导火索出来了，同样的光学衍射，为什么偏偏在DC/DV上变成了刺眼的紫边呢？其实，与其叫做紫边，科学的来说，应该叫做洋红边，HEhe，通过Photoshop 中对“紫边”的色彩分析，可以发现，大部分紫边的主要构成就是洋红（Magenta，CMYK四色之一），这些紫边（抑或洋红边）到底如何出现的呢？——紫边，是由于高反差大背光静物边缘，产生光学衍射，加上DC/DV 的CCD在色彩插值时的固有缺陷造成！分析现在现在的CCD（除了Foveon X3 CMOS）都是Mosaic遮罩式，CCD本身不感知色彩，透过CCD每个象素前面的RGB（或者CYGM）滤镜，一个象素只测R，G，B其中一种原色的密度，再由相机内部软件进行彩色化插值处理，利用周边象素信息“猜测”插值出其他颜色。（详细的CCD成像原理不是这篇文章的重点，感兴趣的可以参考其他专业文章论述），注意！产生紫边的关键点就在这个彩色插值过程中！这个插值过程并不可能完全反映真实的色彩分布（就紫边而言就是那部分边缘产生的衍射部分），相机里的算法只能通过周边的象素“推测”出真正的全色分布，这也造成了边缘不清晰，色彩干扰等一系列问题，也产生了刺眼的紫边。也许你会问了，那为什么色彩“推测”式插值后，产生的不是绿边，黄边，黑边，而是紫边呢？根据对Mosaic CCD的GRGB 滤镜的分析，滤镜的排列方式一般都是Bayer Battern，R G R G R G R GG B G B G B G B R G R G R G R GG B G B G B G B R G R G R G R G可以看出，而由于彩色插值“推测式”算法，R＋B时最容易推测出来的——就是Magenta洋红，就是大部分紫边的主色；另外，还有一大堆的G，B什么地组合，实际检验高反差大背光景物照片发现，除了紫边，还有兰边，还有同一个衍射边缘，同时出现蓝和洋红等色边……按照我的分析，应该是各个相机的具体插值算法差异。这一点可以在Phil的网站上各个相机的评测中，都有专门对紫边的测试中看出，没有一个是没有一长色边的，有的是紫边，改进了，就成了肉眼不恨敏感的兰边什么的……事实上，从DV上也可以看出，单CCD DV，出现紫边的几率不比DC低，但是高端的3CCD DV，由于RGB三色分色处理，无需色彩插值，因此，3CCD DV上，就压根没了紫边问题。
（四）结论从上面的分析可以得出，紫边问题完全是Mosaic CCD在处理衍射边缘时彩色插值算法的固有缺陷造成。在高背光物体边缘，物体边缘的光线会产生衍射，在胶片上反映为边缘质素降低而在Mosaic CCD成像的DC、DV上，更会因为“猜测”性插值的简单粗暴化特性出现洋红或者蓝色的异常色边，肉眼整体看来，效果就是紫边了。 So，我们可以得出结论——不根本改变目前的Mosaic 遮罩式CCD，“紫边”的问题永远不可能从根本上解决，但是，可以通过改进插值算法，使"紫边"显现起来让肉眼不那么敏感（这就是各个相机厂家的功力了，这也可以说明为什么Canon G1和G2同样用一款镜头，而G1紫边较严重，G2就有很大改进几乎看不出来（变成了浅蓝色、灰色边）——软件算法改进了嘛）
（五）规避和解决根本解决在DC/DV上的紫边问题，就要革单Mosaic CCD的命——要么就用3CCD分别处理，要么……欣慰的是，Foveon的X3 CMOS，革命性的彻底改变了传统的CCD的Mosaic遮罩方式，也从根源上使得紫边问题永远不会发生（因为X3 CMOS每一个象素色彩都是真实感应而不存在一星半点的插值和“猜测”）。就目前的DC/DV而言，没有治本的良方，但可以治标，拍摄时就注意避免高反差大背光景物，要不就闪光灯什么地补点光降低些反差。要么就后期通过Photoshop，针对紫边中的洋红色进行替换处理。