Что произойдет, если камера будет использовать совершенно другие основные цвета?

Цветная фотография действительно основана на трехцветной теории. В 1861 году мир увидел первую цветную фотографию, сделанную с использованием красного, зеленого и синего фильтров Джеймсом Кларком Максвеллом. Сегодняшняя цветная фотография основана на его методе. В 1891 году Габриэль Липпман продемонстрировал полноцветные изображения, используя один лист черно-белой пленки, без фильтров, без цветных красителей или пигментов. Этот процесс отошел на второй план, потому что красивые изображения нельзя было скопировать или дублировать. В 1950-х годах доктор Эдвин Лэнд из Polaroid Corporation продемонстрировал, что он может делать красивые цветные изображения, используя всего два цвета (579 и 599 нанометров). Это тоже отпало на второй план.

Инженеры по визуализации давно хотели создавать изображения, используя невизуальную часть спектра. Вскоре было обнаружено, что обычные фотопластинки и пленки регистрируют только фиолетовый и синий свет, а также ультрафиолет (от 4 нанометров до 380 нанометров). Они обнаружили, что пленки записывают рентгеновское и инфракрасное излучение.

Какие еще части спектра можно отображать? Астрономы получают изображение с помощью радиочастот Метеорологи и авиационная промышленность, изображение с помощью радара. Оптический микроскоп ограничен примерно 1000X, однако электронный микроскоп отображает молекулы и атомы.

Мы визуализируем человеческое тело с помощью звуковых волн (ультразвук). Мы визуализируем тело человека с помощью радиоволн (магнитно-резонансная томография, МРТ).

Есть бесчисленное множество других способов изображения. Сначала изображения, сделанные с использованием невизуальной части спектра, были представлены только в черно-белом цвете. Ведь через это излучение мы не можем видеть, поэтому любое представленное нами графическое изображение будет неверным представлением.

Теперь врачи, просматривающие рентгеновские снимки, ищут тонкие изменения в оттенках серого. С помощью компьютерной логики мы можем изменить черно-белые тона на ложные цвета, чтобы лучше различать. Таким образом, современные рентгенограммы и сонограммы отображаются в ложных цветах. Другие области науки, связанные с визуализацией, следуют этому примеру. Изображения в искусственных цветах, сделанные из невидимых частей спектра, являются обычным явлением.

Это уже делается?

Конечно. Космический телескоп Хаббл воспринимает ближний ИК, видимый и ближний УФ спектр. Любые изображения, которые вы видите с Хаббла, которые содержат информацию за пределами видимого спектра, являются изображениями в искусственных цветах .

Точно так же изображения с Чандры, которая наблюдает за рентгеновским спектром, можно визуализировать только путем сопоставления его «тонов» со спектром видимого света.

В неастрономической области сканеры миллиметрового диапазона в аэропортах преобразуют сигналы миллиметрового диапазона в визуальную область.

Что существует с точки зрения потребительских технологий, чтобы делать изображения таким образом?

Камеры FLIR, например.

Существуют ли технологические ограничения на то, какие длины волн могут быть захвачены?

Этот вопрос слишком широк ( в технологиях всегда есть пределы).

Некоторые фотокамеры общего назначения на самом деле записывают за пределами видимого спектра, так что в этом есть некоторый опыт. Leica M8 была печально известна тем, что записывала ИК. Расширенный диапазон плохо повлиял на точность цветопередачи, и Leica пришлось предоставить клиентам ИК-фильтры для своих объективов, чтобы решить эту проблему.

Расширение до УФ-излучения затруднено, так как стекло в линзах блокирует УФ-излучение.

Эффект захвата более широкого спектра сразу — по крайней мере, как это видно с Leica или модифицированными камерами — не особенно приятен, интересен или полезен. Даже если вам удастся каким-то интересным образом обработать данные, вы получите один трюковый пони.

Есть компании, которые снимут фильтры с датчика, если вам интересно. Вы можете использовать цветные фильтры с разными спектрами поверх объектива, создать три экспозиции с разными фильтрами и смешать их в программном обеспечении.

Интенсивность, зарегистрированная каждым специализированным пикселем, может быть сопоставлена ​​со спектром оттенков ниже.

Матрица Байера не соответствует ни одному цвету. Изображение интерполируется, чтобы получить полноцветное изображение на пиксель, где каждый пиксель имеет компоненты R, G и B. Эти компоненты RGB могут быть сопоставлены с цветовым пространством, таким как sRGB или adobeRGB, но режим RGB по своей сути не имеет цветового пространства.

Допустим, мы изменили фильтры на светочувствительных «пикселях», чтобы они оптимально воспринимали разные длины волн, особенно те, которые мы обычно не видим, или те, которые расположены ближе друг к другу в специализированном цветовом диапазоне, который обеспечивает больше деталей.

Вопрос в том, что составляет деталь. Если цель состоит в том, чтобы выполнить спектроскопию, следует использовать не обычную камеру, а вместо нее спектрометр или спектрофотометр.

Каждый добавленный фильтр снижает общую эффективность датчика. Камера RGB имеет чистую эффективность около 20–25% в видимом диапазоне. Камера UV-VIS-IR, использующая 5 фильтров, будет иметь эффективность ближе к 10% в этом диапазоне, а в диапазонах UV и IR изначально меньше света, поэтому им потребуется гораздо больше усиления, и они будут более шумными.

Это уже делается? Если нет, то почему?

Да, они называются спектрофотометрами. На самом деле делается нечто крайне похожее на то, о чем вы говорите. MastCAM на марсоходе Curiosity использует специальную байеровскую матрицу, излучающую значительный ИК-свет, в сочетании с колесом фильтров с 8 фильтрами. Затем камера может делать узкополосные изображения с полным разрешением в коротковолновом ИК-диапазоне на 6 различных длинах волн.

Делается ли это обычно, нет. Помимо научных исследований, этот тип установки делает очень громоздкую камеру с более сложной схемой метаданных. Это две вещи, которые являются проклятием потребительских товаров.

Обратите внимание, что вы можете использовать любые 3 основных цвета в видимом спектре, и вы будете генерировать точное изображение (в пределах ваших устройств записи и отображения), если устройство записи и устройство отображения используют одни и те же основные цвета. Например, большинство камер, выпущенных за последние 10 лет, имеют датчики, которые фиксируют цвета, соответствующие цветовому пространству sRGB. И большинство мониторов отображают цветовое пространство sRGB (или что-то близкое к нему).

Более новые камеры (в настоящее время высокого класса, но, без сомнения, скоро потребительские камеры) могут снимать в более широком цветовом пространстве, называемом DCI-P3. Он по-прежнему считается цветовым пространством «RGB», потому что фиксируемые основные цвета — это то, что мы субъективно называем «красным», «зеленым» и «синим», хотя они отличаются от основных цветов sRGB. Некоторые ЖК-дисплеи в последних компьютерах и мобильных телефонах теперь также могут отображать цветовое пространство DCI-P3. Эти устройства захватывают и отображают гораздо более широкий диапазон цветов.

Если вы хотите увидеть, как будет выглядеть захват с одним набором основных цветов и отображение с другим набором, вы можете использовать фильтр настройки оттенка в своем любимом графическом редакторе. Вращение оттенка покажет вам эквивалент захвата с одним набором основных цветов и отображение с другим.

Существуют ли технологические ограничения на то, какие длины волн могут быть захвачены?

Есть:

• Фотосъемка в ближнем инфракрасном диапазоне (ночное видение),
• Фотография в среднем инфракрасном диапазоне (тепловизор) http://www.ipac.caltech.edu/outreach/Edu/Regions/irregions.html
• Рентгеновские лучи (не только для того, чтобы видеть кости с прохождением рентгеновских лучей, но некоторые настолько чувствительны, что вы можете видеть отраженные) https://en.wikipedia.org/wiki/Backscatter_X-ray ,
• Радиотелескопы и микроволновые телескопы.
• Гамма-телескопы.
• УФ-камеры и т. д.

Таким образом, в основном исследуется весь спектр.

Но все они имеют разные системы. Следует учитывать взаимосвязь между длиной волны и веществом, атмосферой и, более конкретно, датчиком.

Взгляните, почему мы видим «видимый свет». Если бы длина волны, в частности, не проходила через верхние слои атмосферы, не было бы источника света, известного как солнечный свет: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Atmospheric_electromagnetic_opacity.svg другой проходящий свет — это радио, но слишком длинное, которое проходит через наше тело.

Различия в длинах волн экспоненциальны, так что да, есть некоторые технологические проблемы, связанные с тем, какие электромагнитные волны можно воспринять нашими глазами или приборами.

Что существует с точки зрения потребительских технологий, чтобы делать изображения таким образом?

Инфракрасный

Простой вопрос: у вас может быть ближняя инфракрасная пленка и фильтры для экспериментов, и вы можете адаптировать свой dlsr: https://photo.stackexchange.com/search?q=infrared

Есть камеры и объективы ночного видения.

Вы можете купить тепловизионную камеру дальнего инфракрасного диапазона, но это не «потребительский» продукт, потому что он дорогой.

УФ Я сомневаюсь, что разрешено стрелять в людей более мощным световым лучом. Помните, что длительное воздействие УФ-излучения может привести к ожогу, прежде всего вашей сетчатки. поэтому вам нужна среда с низким освещением, чтобы использовать УФ малой мощности. Изображения «черного света» — это отражения, вызванные УФ-излучением, так что да, вы также можете это сделать. https://en.wikipedia.org/wiki/Ультрафиолет_фотография

Я видел ультрафиолетовую и инфракрасную фотографию раньше, но обычно она черно-белая или черная.

Если вы этого не видите, это интерпретация . Очки ночного видения обычно зеленого цвета, потому что наши глаза более чувствительны к зеленому, и когда солдат снимает линзы, его глаза легче адаптируются к темноте. Если у вас черно-белое зрение, время адаптации глаза к темноте будет намного больше.

Зачем использовать одно измерение?

«Трехмерность» «основных» цветов обусловлена ​​тем, как наш мозг воспринимает свет. Пурпурный не находится в видимом спектре, с ним не связана длина волны. Наш мозг интерпретирует его как пурпурный.

В действительности спектр электромагнитных волн одномерен. Это двумерно , если мы используем интенсивность в качестве второго измерения для создания изображений.

Почему бы не расширить спектр?

Мы должны расширить спектр. Либо мы это видим, либо нет. Черно-белое изображение на самом деле является повторным сжатием длины волны, которую мы не видим, в ограниченный спектр, который мы видим.

Конечно, вы можете сделать цифровую рентгеновскую машину для отображения пурпурного цвета, у меня был старый монитор CTR, который делал это сам по себе. Но это больше психологический аспект, чем технический.

Но в некоторых областях, таких как тепловидение, цветовой спектр используется для обнаружения различий в температуре, поэтому в настоящее время это делается.

Что касается того, почему бы не настроить спектр видимого света или нет, я думаю, что это полностью художественная интерпретация, поэтому вы можете делать все, что хотите.

Но

Но, с другой стороны, было бы интересно иметь симулятор тетрахромации для тех немногих, у кого он есть, похожий на то, как у нас есть симуляторы дальтонизма, например: http://www.color-blindness.com/coblis-color-blindness- симулятор/

Я читаю очень интересную книгу под названием «Видение и искусство, биология зрения» Маргарет Ливингстон. Я еще не закончил с этим, но главы, которые я прочитал до сих пор, говорят о том, как глаз воспринимает цвет, как смешиваются цвета (как светлые, так и пигменты), а также каковы ограничения и почему. Это может помочь ответить на некоторые из ваших вопросов о том, как работает глаз и каковы пределы возможностей фотографии.

Сначала последнее:

Но почему мы должны ограничивать камеру захватом и записью света так, как его видят люди?

Мы не всегда ограничиваем наши камеры захватом и записью света таким образом. Например, недавно запущенный космический телескоп Webb будет отображать инфракрасные волны. Конечно, изображения, которые он захватывает, будут отображаться в цветах, которые мы можем воспринимать. Это будет то, что мы называем ложными цветными изображениями. Если бы мы создали дисплеи, излучающие точную цветопередачу телескопа Уэбба, нам понадобились бы дисплеи, излучающие инфракрасный свет. Когда мы пытались просмотреть изображения, мы видели пустой экран, потому что наши глаза не чувствительны к длинам волн инфракрасного света, который собирается записывать телескоп Уэбба.

С другой стороны, если мы хотим, чтобы камера производила изображения, которые будут восприниматься как те же цвета, что и предметы, для съемки которых мы использовали камеру, то чем ближе к пиковой чувствительности колбочек сетчатки человека мы может соответствовать фильтрам на наших масках Байера, тем успешнее будут наши результаты.

Ниже приведена часть TL: DR нашего ответа на вопрос; Почему красный, зеленый и синий цвета являются основными цветами света?

Существуют ли основные цвета в реальном мире?

Нет.

У света нет основных цветов, фактически вообще нет цвета, присущего свету (или любой другой длине волны электромагнитного излучения). Есть только цвета в восприятии определенных длин волн ЭМИ нашими системами глаза/мозга.

Или мы выбрали красный, зеленый и синий, потому что это цвета, на которые реагируют колбочки человеческих глаз?

Мы используем трехцветные системы воспроизведения, потому что система человеческого зрения является трехцветной , но основные цвета, которые мы используем в наших трехцветных системах воспроизведения, не соответствуют каждому из трех цветов, соответственно, которым соответствует каждый из трех типов колбочек в человеческая сетчатка наиболее чувствительна.

Более подробное обсуждение человеческого восприятия цвета см. в нашем полном ответе на вопрос « Почему красный, зеленый и синий цвета являются основными цветами света?»

На этот косвенно связанный вопрос есть довольно длинный ответ , который может оказаться полезным. Этот ответ во многом взят из этого онлайн-курса по цвету, размещенного на Memcode .

Мы дадим здесь некоторую предысторию, которая информирует об ответе в самом верху. Все это более подробно описано в двух ответах, связанных выше.

Во-первых, давайте убедимся, что мы понимаем, как наши глаза и камеры на самом деле производят цвет. Есть несколько предположений, отраженных в вопросе, которые не совсем верны. Как говорит Роджер Цикала в одной из своих замечательных записей в блоге на Lensrentals.com:

«Некоторые вещи, о которых я писал много лет назад, сейчас я понимаю, что они, гм, менее правильны, чем мне бы хотелось».

Понимание, отраженное в вопросе о чувствительности колбочек сетчатки глаза человека, ошибочно. Они не очень чувствительны к длинам волн, которые мы воспринимаем как красный, зеленый и синий. Задолго до того, как у нас появилась возможность точно измерить это, предполагалось , что каждый тип колбочек сетчатки наиболее чувствителен к красному, зеленому и синему. Позднее мы узнали из работы Гуннара Сваетихина, что это был

«... гм, ну, менее правильно, чем (нам) хотелось бы».

Только в конце 20-го века мы смогли точно определить, на каких длинах волн каждый из трех типов колбочек сетчатки наиболее чувствителен.

Наши М-колбочки наиболее чувствительны почти к зеленому цвету, наши S-колбочки довольно близки к синему (с уклоном в сторону фиолетового), но наши L-колбочки далеко не наиболее чувствительны к красному цвету. На самом деле они наиболее чувствительны к цвету где-то между зеленым и желтым.

Обратите внимание на три точки в нижней части рисунка выше: это три цвета, к которым каждый тип наших колбочек сетчатки наиболее чувствителен.

Вот еще одно изображение, которое делает его еще более ясным с линиями реального цвета, к которому каждый тип колбочек наиболее чувствителен:

Маски Байера в наших цифровых камерах на самом деле не красные, зеленые и синие, несмотря на все милые маленькие красные, зеленые и синие рисунки в Интернете.

Он может варьироваться от одного производителя к другому и даже от одной модели к другой, но цвета фильтров на масках Байера обычно примерно такие же, как пиковая чувствительность S- и L-колбочек, в то время как «красный» фильтр имеет тенденцию к быть желто-оранжевым цветом около 600 нм, что находится примерно на полпути между лимонно-зеленым пиком чувствительности наших L-колбочек при 564 нм и «красным», который наши пропускающие дисплеи излучают примерно при 640 нм.

Изображение выше представляет собой микроскопический снимок датчика, с которого удалена часть маски Байера. Как видите, «красные» фильтры на самом деле желто-оранжевые, а «синие» фильтры настолько же фиолетовые, насколько и синие.

Наши передающие дисплеи (телевизоры, мониторы и т. д.), однако, излучают три цветных полосы, более или менее сосредоточенных на том, что мы называем «красным», «зеленым» и «синим».

Он может значительно отличаться от одного дизайна к другому. Некоторые более дорогие дисплеи имеют еще более узкие полосы излучения для каждого цвета.

Для дальнейшего чтения:

Почему красный, зеленый и синий цвета являются основными цветами света?
Файлы RAW хранят 3 цвета на пиксель или только один?
Почему обычные датчики не используют фильтры CYM вместо RGB?
Фильтр разделения RGB и его влияние на изображение
Как выглядит необработанный файл RAW?