Есть ли черно-белый физический фильтр?

30

Мне интересно, есть ли физический фильтр, который позволил бы камере делать черно-белые снимки без использования какого-либо программного эффекта / фильтрации?

МэВ
источник
4
У вас есть реальные ответы на это, но мне интересно, какую проблему вы пытаетесь решить здесь?
Филипп Кендалл
4
Нет, ИК-фильтры не «заменяют» цвета. Они проходят разную длину волны.
Карл Виттофт,
1
Если вы говорите цифровые камеры, вы не можете сделать любое изображение без использования программного обеспечения. Было бы трудно провести четкую грань между интерпретацией данных с датчика для создания изображения и применением «эффекта», который во многих случаях представляет собой просто другую интерпретацию одних и тех же данных. Итак, вы говорите семантику здесь.
Калеб
3
Вы можете найти монохроматический фильтр, который пропускает только один цвет света, поэтому ваше изображение будет «черно-красным» или «черно-зеленым», но это самое близкое, что вы можете получить.
JPhi1618
3
Есть действительно простой способ сделать это на самом деле: использовать черно-белую пленку.
thanby

Ответы:

19

Нет.

Невозможно создать физический фильтр, который может полностью «обезвреживать» поступающий свет.

Единственный способ добиться этого без постобработки - на уровне пленки / сенсора.

Цифровое Лайткрафт
источник
2
Я думаю, что это теоретически возможно, используя светоделители и монохроматические фильтры, настроенные на цвета элементов пикселя сенсора камеры ...
Хао Е.
2
@ Хао, ты никогда не сможешь убрать частотную составляющую света, поэтому ты никогда не сможешь сделать его черно-белым.
Брэндон Дьюб
2
Точно, вы не можете создать оптический фильтр, который будет пропускать только светимость независимо от частоты.
Digital Lightcraft
5
@HaoYe: рассмотрим пример: ярко-зеленый монохроматический свет. Ваш фильтр должен преобразовать это в белый свет, чтобы датчики обнаруживали равные уровни красного, зеленого и синего (равные после учета их чувствительности). Введение новых частот невозможно с традиционной оптикой AFAIK. Это может быть теоретически возможно с квантовыми эффектами, такими как поглощение повторно излучающего света, но, вероятно, не при сохранении направления фотонов. (У фотона есть энергия и импульс, которые зависят от длины волны ...)
Питер Кордес
3
То, что вы описали, это почти точно, как работает усилитель ночного видения. Но это не «фильтр», то есть сквозной элемент.
Digital Lightcraft
30

Простите меня, пока я получаю немного метафизики на некоторое время. «Цвет», как мы понимаем, не является чем-то особенным во вселенной. Это нечто созданное нашей системой зрения - сложное взаимодействие в наших глазах и мозге. Это полезно для таких вещей, как «не ешьте ядовитые ягоды», «посмотрите на этого тигра в траве» и, совсем недавно, «останавливайте наши машины на перекрестках».

Это чувство основано на чем-то, что является реальным свойством объектов во вселенной: разные материалы рассеивают, отражают и поглощают свет различной длины волны по-разному. Наши глаза имеют рецепторы, которые по-разному чувствительны к разным длинам волн света, и система зрения переводит это в то, что мы называем цветом.

О самом цвете можно думать по-разному. Один из способов, который может быть полезен в этих обстоятельствах, состоит в том, чтобы разбить его на цветность и яркость - яркость - это в основном «яркость», а цветность - это ... другой цветовой оттенок - оттенок (красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий ... ) и насыщенность или красочность. Разделение концепции цвета таким образом хорошо работает с нашей ментальной моделью - но на самом деле не может быть немедленно перенесено обратно в физическую вселенную.

Фильтр , который привел к черным и белым будет необходимо отфильтровать цветность и пройти только яркость, потому что это то , что «черно-белый» фото в основном является - просто запись яркостей, без всех остальных «цветной материал» ,

Но я не знаю, как это сделать. Это, конечно, невозможно с чем-то похожим на фильтры, которые мы обычно используем. Они просто блокируют либо определенные длины волн (в случае цветных фильтров или УФ- или инфракрасных фильтров), либо вообще все длины волн в небольшой степени (в случае фильтров нейтральной плотности). «Фильтр», который преобразуется в черно-белое, должен был бы каким-то образом преобразовать длину волны (поскольку свет без длины волны… темнота), а не фильтровать ее. Скорее всего, это будет связано с каким-то нелинейным метаматериалом, и я ничего не смогу объяснить своими знаниями по физике в средней школе. И это должно было бы преобразовать все различные длины волн втой же длины волны, иначе рассеять их случайным образом, чтобы в результате появился белый свет; кажется, это нелепо. Я чувствую себя в безопасности, говоря, что даже если бы это было возможно, результатом не было бы то, что вы можете прикрепить к камере и носить с собой.

С другой стороны, безусловно, можно записать только яркость. Это то, что делает черно-белая пленка, и на самом деле это то же самое, что делают цифровые фотосайты. По своей сути они просто измеряют яркость, но современные цифровые камеры используют фильтры для записи яркости только на определенных длинах волн, измеряя синий, зеленый и красный по отдельности. (Это примерно соответствует тому, как работает зрение человека, поэтому мы можем объединить его обратно для получения полноцветного изображения.) Если у вас есть одна из немногих камер, сделанных без этих фильтров (например, Leica M Monochrom), вы просто получаете черный белое изображение.

Конечно, другой подход состоит в том, чтобы отфильтровать все, кроме одной конкретной длины волны. Вы можете увидеть это в ответе Джерри Коффина здесь , или в этом другом вопросе, касающемся почти монохроматического света паров натрия . Это черно-один-единственный цвет, а не черно-белый, но может быть близко к вашему желанию. Конечно, это отсекает довольно много света, и другой недостаток состоит в том, что он также отсекает уровни яркости от других цветов - так что вы просто увидите разницу в зеленом (или любом другом выбранном цвете) и нюансы оттенка в другом цвета не будут регистрироваться вообще.

mattdm
источник
Матдм ... философ: о)
Рафаэль
Цветовые фильтры не блокируют все, кроме цвета фильтра. Часть всего видимого спектра проходит через каждый из трех цветовых фильтров. Просто проходит больше, часто гораздо больше, цветов, наиболее близких к цвету каждого фильтра. Немного красного проходит через зеленый фильтр и наоборот. Некоторый зеленый цвет проходит через синий фильтр и наоборот. Даже небольшое количество синего и красного проходит через другие цветные фильтры. Так работает человеческое зрение, работает цветная пленка, работают цифровые камеры.
Майкл С
Любой, кто использовал цветные фильтры перед черно-белой пленкой, понимает это интуитивно. Красный фильтр не блокирует весь свет, кроме красного. Он просто пропускает меньше других цветов, поэтому на полученных фотографиях эти цвета выглядят более темным оттенком серого по сравнению с красными объектами с такой же яркостью на сцене.
Майкл C
Конечно; мы воспринимаем желтый свет с чистой длиной волны, потому что он активирует «красный» и «зеленый» колбочки, и записываем его, потому что он проходит через красный и зеленый фильтры. Но я думаю, что упрощение вполне адекватно для объяснения здесь. Это, конечно, не влияет на основную черту «черно-белого» фильтра.
mattdm
16

Все цвета являются результатом программной обработки. Только , что датчик, будь то пленка или полупроводника, можно сделать , это изменение состояния в ответ на входящие фотоны. Да, цифровая камера имеет цветные фильтры, но все, что они делают, это ограничивают длины волн, которые передаются чувствительным пикселям. Выход каждого пикселя представляет собой просто набор электронов, которые затем преобразуются в напряжение, которое, в свою очередь, измеряется и представляется в виде цифрового числа.
Как вы решите интерпретировать эти цифры, полностью зависит от вас. Пара примеров:

Загрузите файл RAW в математический инструмент, такой как R или MATLAB, и вы можете сгенерировать монохромное изображение на основе числовых значений в массиве.

Загрузите файл RGB аналогичным образом. Он состоит (как правило) из трех массивов чисел одинакового размера, которые были помечены как слои «R, G, B». Вы можете сгенерировать монохромное изображение каждого из них или назначить любой слой и цветность по своему желанию для каждого слоя перед объединением в цветное изображение.

Опять же, важно понять, что ваш первоначальный вопрос ошибочен: будь то цифровая обработка данных или использование химикатов для разработчика и цветной бумаги вместо черно-белой бумаги, камера и ее датчик ничего не знают о цвете. Это как вы обрабатываете данные (цифровые или аналоговые).

Карл Виттофт
источник
12

Вы не можете добавить физический фильтр, но вы можете удалить физический фильтр, чтобы преобразовать любую цифровую камеру в строго монохромную камеру.

Фактический датчик в любой цифровой зеркальной камере ничего не знает о цвете - каждый пиксель записывает общую яркость на всех длинах волн, к которым он чувствителен. Цвет вводится путем добавления фильтра Байера , который представляет собой небольшие кусочки разноцветного стекла для каждого пикселя: теперь некоторые пиксели могут видеть только синий, другие - только красный, а остальные - только зеленый.

После удаления фильтра Байера ваша камера снова станет монохромной, как это сделали некоторые люди :

введите описание изображения здесь

nbubis
источник
На рынке также есть монохромные камеры
Хаген фон Айцен
К сожалению, я знаю только о Leica M Monochrome, который немного дорог для меня.
Йозеф
6

Нет.

Каждая цветная камера имеет три типа чувствительного материала - пиксели в цифровых камерах, пиксельные слои в датчиках Foveon, слои в цветной пленке. Изображение, являющееся монохромным, означает, что все эти типы производят отклик с постоянной цветностью при любом падающем свете, и это НЕ возможно, потому что они спроектированы для получения разных цветностей.

Эури Пинхоллоу
источник
Полу-правда, но вводит в заблуждение. Можете ли вы отредактировать, чтобы прочитать «... созданный для получения ответов на различные цветности»?
Карл Виттофт
@ carl-witthoft: Вы имеете в виду, что это можно интерпретировать как «каждый слой производит свою цветность»?
Эури Пинхоллоу
Каждый слой записывает группу фотонов, длина волны которых позволяет им проходить через цветной фильтр (и, конечно, попадает в диапазон обнаружения пикселя). Конечный пользователь может назначить любой цвет тому слою, который он пожелает.
Карл Виттофт
@ carl-witthoft: не отвечает на мой вопрос. Я не могу понять идею, лежащую в основе «спроектированной для получения ответов на различные цветности».
Эури Пинхоллоу
1
Ну да - en.wikipedia.org/wiki/Chromaticity . Вы не можете получить цветность от одного цветового фильтра. Каждый цветной фильтр интегрирует спектральный входной сигнал в определенном диапазоне длин волн с различной пропускной способностью в этой полосе пропускания. Как вы сопоставите это с осью карты CIE, зависит от пользователя.
Карл Виттофт
6

Это теоретически возможно, но не практично.

Для этого вам понадобится относительно узкий полосовой фильтр, который ограничивает проходящий свет до такой степени, что будет затронут только один цвет из (обычно) трех, обнаруженных датчиком (по крайней мере, в той степени, в которой он виден эффекты на снимке, который вы делаете).

Такие узкополосные фильтры были построены и используются на регулярной основе - например, они используются на регулярной основе в мультиплексировании с волновым разделением, которое используется для одновременной отправки нескольких сигналов по оптическому волокну. На передающей стороне вы берете несколько сигналов, кодируете каждый из них как один цвет света и смешиваете свет перед передачей.

На приемном конце вы пропустите этот свет через то же количество узкополосных фильтров, чтобы вы могли восстановить исходные потоки данных.

Что касается того, почему это не практично: две причины. Прежде всего, такие фильтры могут быть довольно большими и дорогими. Во-вторых, (вероятно, более важно для фотографических целей), когда вы получаете пропущенную узкую полосу, вы также обычно получаете достаточное количество затухания в полосе пропускания. То есть, помимо избавления от света, который вам не нужен, вы также обычно теряете достаточно много света, который вам нужен.

На типичной камере вы имеете дело только с тремя цветами сенсоров, которые довольно широко распространены в спектре. Как правило, вы хотите сохранить зеленый свет, потому что 1) это диапазон, в котором глаза людей обычно наиболее чувствительны, и 2) на типичном датчике у вас вдвое больше зеленых сенсорных лунок, чем красных или синих сенсорных лунок.

Астрономы также используют довольно узкие полосовые фильтры на довольно регулярной основе. Чтобы быть конкретным, один тип эмиссионной туманности испускает свет из-за трижды ионизированного кислорода (он же «кислород III»). Излучаемый свет находится на 496 нм и 501 нм, оба из которых довольно близки к середине зеленого диапазона:

введите описание изображения здесь

Таким образом, если мы вставим фильтр для пропускания только тех длин волн света и остановим практически все остальное, мы получим изображения, которые очень близки к чисто монохромным, независимо от камеры / датчика / пленки, используемой для определения света. Такие фильтры легко доступны (поиск в Google oxygen-III filterприведет к большому выбору). Просто для примера, вот кривая ответа для одного из этих фильтров:

введите описание изображения здесь

Этот конкретный является водородно-бета-фильтром, но доступны кислородно-III фильтры с аналогично узкой полосой пропускания. Несколько чуть более широких полосовых фильтров (все еще обычно называемых «узкополосными») «настроены», чтобы позволить как излучение бета-водорода (486 нм), так и излучение кислорода-III (496 и 501 нм). Этот, однако, отфильтровывает большую часть излучения при 496 нм и, по существу, всю его при 501 нм, хотя для большинства людей все три цвета очень похожи (глубокий свет с небольшим оттенком синего).

Эти фильтры, однако, как правило, предназначены для использования на телескопах, а не на камерах. Они обычно имеют размеры (например, 2 дюйма), используемые для окуляров телескопа. Они также блокируют много видимого света, поэтому обычно их рекомендуют использовать только на относительно больших телескопах - обычно минимум 8 или 10 дюймов для них очень полезны.

Даже если предположить, что вы можете установить фильтр и прожить с количеством передаваемого света, у вас останется одна проблема: хотя ваше изображение будет (почти полностью) монохромным, если вы не выполните некоторую предварительную обработку, оно не будет не будет отображаться как оттенки серого, он будет отображаться как оттенки зеленого.

Я вижу одну заключительную проблему использования этих фильтров: то, что вы получите, вероятно, не будет работать хорошо для большинства типов фотографий. Ранние черно-белые пленки обладали довольно широким диапазоном чувствительности, но наиболее сильно на них воздействовал синий свет и только довольно слабо красный свет.

Позже черно-белый файл («панхроматическая пленка») был отрегулирован так, чтобы иметь чувствительность по всему видимому спектру, которая намного более соответствовала нормальному зрению. Этого было достаточно для улучшения, что он довольно быстро заменил ортохроматическую пленку для большинства типичных фотографий.

В этом случае вы будете обнаруживать гораздо более узкий диапазон света, чем ортохроматическая пленка, - до такой степени, что вы, вероятно, не сможете получить результаты, которые были бы весьма полезны для наиболее типичных целей.

С другой стороны, есть и некоторые преимущества использования таких узкополосных фильтров при некоторых обстоятельствах. Например, поскольку объектив должен фокусироваться только на одной длине волны света, хроматическая аберрация становится практически неактуальной. Это может улучшить разрешение (хотя точное улучшение будет зависеть от того, сколько хроматической аберрации пришлось начать с объектива).

Джерри Гроб
источник
Астрономы также, по-видимому, делают это в первую очередь.
wizzwizz4
@ wizzwizz4: Действительно серьезные астрономы, в основном, начинают с специально созданных камер (например, с кулерами для датчика, чтобы уменьшить шум). Некоторые случайные астрономы делают снимки с неизмененными камерами. И да, некоторые, кто находится между ними, модифицируют обычную камеру.
Джерри Гроб
Многие охлаждаемые астрономические камеры (предназначенные для использования при подключении к ноутбуку, а не автономные устройства) являются монохромными - как и некоторые астрономические видеокамеры. Использование монохромного датчика повышает чувствительность для кадров яркости (поскольку каждый пиксель получает полный диапазон длин волн) и обеспечивает более высокое цветное разрешение при комбинировании нескольких снимков с использованием R, G, B или различных узкополосных фильтров.
JerryTheC
Обычная причина изменения DSLR для астрономического использования состоит в том, что встроенный инфракрасный блокирующий фильтр также блокирует около 80% глубокого красного альфа-света водорода - который является красной частью изображений эмиссионной туманности. Замена фильтра пропускающим h-альфа-свет значительно увеличивает чувствительность к нему, но дает красный оттенок обычным фотографиям, что можно компенсировать с помощью пользовательского цветового баланса или с помощью подходящего переднего фильтра объектива.
JerryTheC
Чтобы расширить эту концепцию: отфильтруйте несколько узких полос параллельно, а затем приведите их все к одной и той же длине волны с помощью флуоресценции или гетеродинирования ....
rackandboneman
3

Это не фильтр - не съемный и, безусловно, необратимый - но любую цифровую камеру можно преобразовать в оттенки серого, отряхивая цветные фильтры с сенсора и обрабатывая изображение RAW. Без цветных фильтров датчик собирает только информацию о яркости. Камера будет продолжать обрабатывать пиксели, как если бы матрица цветового фильтра все еще была на месте, поэтому вам нужно захватывать изображения RAW и обрабатывать их самостоятельно. Сам никогда не пробовал, но я слышал об этом, когда CVS (американская аптечная сеть) впервые начала продавать цифровые камеры с возвратом и возвратом.

Тема с примерами: http://photo.net/digital-camera-forum/00CM0R

Подробнее о матрице цветовых фильтров: https://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter

Надеюсь это поможет!

xephyranths
источник
2

В камерах падающий свет фильтруется по трем координатам спектров RGB, а затем фиксируется с использованием химической реакции (пленочные камеры), ПЗС или КМОП-чипа (цифровые камеры).

Единственный способ физически отключить камеру для захвата цветных изображений - это использовать монохроматическую пленку или снять маску фильтра с чипа CMOS. Эта процедура убьет вашу камеру 999 999 раз за 1 000 000 попыток.

Когда вы устанавливаете камеру на монохромный захват, она «игнорирует» фильтрацию и суммирует сигнал со всех 3 каналов. В постобработке программа рассчитает среднее значение по каналам.

Если вы хотите захватывать ИК-изображения, у вас должна быть ИК-совместимая оптика и ИК-чувствительный детектор. Вы, вероятно, получите новый чип и настроенные датчики AF.

Crowley
источник
0

Нет. Вы должны понимать, что не существует такой вещи, как длина волны белого света , поэтому нет физического свойства, на котором мог бы основываться такой фильтр.

Если вам не нравится физика, подумайте над логичным примером: белый свет - это более широкий набор, включающий в себя подмножества всех других цветов. Таким образом, ваш вопрос звучит как

Is there a filter that can extract fruits from apples?

Опять же, ответ НЕТ.

Дмитрий Григорьев
источник
Я бы посоветовал: есть ли фильтр, который может извлекать фрукты из яблок, апельсинов и вишни? или похожие.
Mattdm
1
Вы можете извлечь общий «смешанный фруктовый сок» из яблок, апельсинов и вишни, хотя :)
rackandboneman
0

Я собираюсь пойти против зерна и сказать ДА, МЫ МОЖЕМ ... если вы расширите значение "физического фильтра" следующим образом:

Фильтр представляет собой активную камеру, которая отображает свои выходные данные в черно-белом режиме на своем собственном дисплее (не имея цветовых фильтров на сенсоре, обесцвечивая программное обеспечение, используя монохромный дисплей и т. Д.), Возможно, с некоторой оптикой для симуляции фокуса дальше.

Затем ваша камера делает снимок дисплея фильтра, думая, что это реальный мир. И это в черно-белом :-)

Если это звучит возмутительно, учтите, что в 2011 году фильм « Оливка» был объявлен первым фильмом, снятым полностью на смартфоне . Но как они получили замечательное боке и глубину резкости? Благодаря съемке изображения, спроецированного на матовое стекло, объективом Canon L серии 24–70 мм стоимостью 800 долларов! Мошенничество?

Gnubie
источник
1
ru.bugemos.com/?q=node/12
Кроули
Я согласен с вами, я не понимаю, как фильтр может добавлять цвета (фильтр Байера) и почему не должно быть абсолютно противоположного фильтра для их удаления.
МэВ
1
@Mev: смотри мой ответ. Массив фильтра Байера не добавляет цвета. Он на самом деле удаляет все, кроме определенных (широких полос) длин волн в шаблоне, что позволяет реконструировать полноцветную информацию способом, который приблизительно соответствует системе человеческого зрения. Так как мы показываем результаты людям, это работает.
Матдм
И для самого ответа: я не думаю, что это имеет смысл или полезно расширять значение «физического фильтра» таким образом.
Матдм
Цветовые фильтры не удаляют все, кроме цвета фильтра. Часть всего видимого спектра проходит через каждый из трех цветовых фильтров. Просто проходит больше , часто гораздо больше, цветов, наиболее близких к цвету каждого фильтра. Немного красного проходит через зеленый фильтр и наоборот. Некоторый зеленый цвет проходит через синий фильтр и наоборот. Даже небольшое количество синего и красного проходит через другие цветные фильтры. Так работает человеческое зрение, работает цветная пленка, работают цифровые камеры.
Майкл С