作者曰：写完中微子后小忙，加上亦师亦友的大佬丢过来一句“你写点摄影吧”，于是就以“命题作文马虎不得”的借口拖到了现在。近8年前，“理科男”和“工科男”因摄影相识，一跟就是7年。这期间，“理科男”成长为“理工男”，体会到了做技术和工程的乐趣，也感受到在神州做实体的不易，摄影始终是工作之余扯淡的重要话题。这期就先开个头吧。

这期究竟要讲啥？在“摘要”里还净往歪处带？

先来看看历史上第一张彩色照片：

一个领带结？

对的，1861年麦克斯韦(James Clerk Maxwell)……

等等，这名字好熟，莫非是第一期里提到的那位？

是的，就是那位大物理学家麦克斯韦。话说理科男一般动手能力都不咋地，所以都喜欢做“思想实验”。麦克斯韦1855年就提出了，如果通过红、绿、蓝三种滤镜拍下三张黑白照片，再用三个投影仪通过红、绿、蓝滤镜把这三张黑白照片投放到一起，这样就能看到彩色了。

Wiki之，哦，到了1861年，麦克斯韦终于找到了工科男Thomas Sutton，由Sutton实际拍了三张照片，第一次向世界演示了“彩色摄影”的原理。

自从有了维基百科，要显摆是越来越难了……看看这张照片红、绿、蓝的三个影像各是什么样子的：

为什么这三种颜色叠在一起就能凑出其他的颜色呢？为什么不是别的颜色呢？比如说红白蓝，这才是文艺女青年最爱的三颜色：

什么呀，下面这个才是红白蓝的真谛：

扯回正题。之所以是红、绿、蓝这三种颜色，是和人眼视网膜(retina)上的视锥细胞(cone cells)有关：

继续wiki，哦，红色框框里的就是视锥细胞，名字还挺贴切，看看这个大图：

视锥细胞负责人的彩色视觉，分L、M、S三种类型。

其实就是Long（长）、Medium（中）、Short（短）的意思，因为它们各自对可见光的长、中、短波段敏感：

最敏感的峰值出现在560nm、530nm和420nm的波长处，对应的就是红、绿、蓝三种颜色。

原来是这样呀。想想自然进化出眼睛这样神奇的结构，人类发现其秘密后，又利用它来“欺骗”自己，虚构另一个世界，真是有意思的事。

嗯，RGB（Red Green Blue，红绿蓝）三色原理构成了现代人类记录和显示彩色图像的基础。插一句，在麦克斯韦1861年那张彩色照片之前，其实有过用纯化学方法做出彩色照片的实验，据说颜色还更为准确，但没过多久颜色就迅速褪去，因此麦克斯韦的这张照片有“史上第一张永久的彩色照片”之称，也再一次证明了“物理”比“化学”要牛逼的多……

这仇恨，感情是被化学系同学的高工资给刺激的……

刚刚成为“文物”的胶片，是基于RGB三色原理来记录彩色图像：

各式各样的显示器，都是基于RGB来显示彩色图像：

这个是“白底黑字”的W在显示器上的“真实”图像。

啊！就是说我看到的“白”，其实是“红、绿、蓝”的叠加？

是的，显示器上的一个“像素”(pixel)，其实是由红、绿、蓝三个“子像素”(subpixel)组成的，名副其实的“三位一体”。所谓全高清1920*1080的分辨率，有大约2百万个“像素”，6百万个“子像素”。

因为“子像素”很小，人眼分辨不出来，就自动把三色混在一起看，所以上面那色彩斑斓的W，才变成了“白底黑字”的W。是这样吧？

对的。扯了这么久，终于可以让“马赛克”出场了：

这个是现代传感器的大致结构。最上面凸凸的那个是微透镜(microlens，或OCL/On-Chip Lens)，负责把光聚拢。接下来就是RGB的颜色滤镜，再下面的才是真正感光的光敏二极管(photodiode)，最下面的是铜走线层，用于排布各种电子线路。

还没看到“马赛克”呢？

这个是RGB滤镜在传感器上的平面排布，学名“拜耳色彩过滤阵列”(Bayer Color Filter Array)，俗称“马赛克”。

为什么绿色比红色、蓝色多？

观察挺敏锐嘛！因为人眼除了前面提到的视锥细胞，还有负责在光线暗的环境下感光的视柱细胞(rod cells)，它们敏感的波段就在绿色附近，看看下图的虚线部分：

看图里视柱细胞只有一种，这就是在光线暗时，我们不大能分辨出颜色的原因吗？

对的！由于这两类细胞的特性，人眼整体上对绿色最为敏感，所以Bayer CFA里的绿色是红色、蓝色的两倍。传感器实际成像时是这样的：

得到的图像也是“马赛克”呀，还空了那么多……

来看一个具体的例子吧：

万紫千红娇弄色，娇态难禁风力摆……

来看看一个

120*80＝9600

像素的传感器是怎么看这个场景的。经过RGB滤镜后，传感器看到的是这样的：

理工男果然是——回眸一笑百“霉”生，六宫粉黛无颜色！黯然失色也就算了，还长了那么多霉点点……

因为哪个像素对应哪个RGB滤镜是制造传感器时就定好了，我们可以把RGB信息补充上去：

这张图实际是由RGB三个颜色通道组成：

看来理工男眼里确实是Matrix的世界：

在这9600个点中，有4800个只有绿色信息，2400个只有红色信息，2400个只有蓝色信息。如果要组成一张能在显示器上显示的9600“像素”的图片，我们需要9600个红色“子像素”，9600个绿色“子像素”，9600个蓝色“子像素”。也就是说，我们现在还缺4800个绿色“子像素”，7200个红色“子像素”，以及7200个蓝色“子像素”，整整缺了三分之二！

那怎么办？

靠“猜”呗！为了显示我们的“猜”不同于你们的“瞎猜”，我们管这叫interpolation（插值），根据前后左右其他像素的信息，以及其他颜色通道里像素的信息，把空缺的信息一一补上：

猜得还不错嘛，特别是红色和蓝色，和“插值”之前简直是云泥之别呀！

嗯，拜耳还是很有一手的，不然别人也不会拿他的名字来命名这个阵列，并在数码成像里广泛应用。最终完成的图像是这样的：

这样一个把图2的黑白“霉点”图案，通过还原颜色、插值等生成图4的过程，就叫做“去马赛克”。图4里有些像锯齿一样的不平滑的地方，是因为我们举例的传感器才9600“像素”，只要把传感器像素提高到46万，就是图1的效果了。

等等，那看来数码相机的“像素”，和显示器的“像素”，还不一样了！一个号称200万像素的相机，其实是100万个绿色像素，50万个红色像素，50万个蓝色像素，然后通过“去马赛克”，凑出200万*3＝600万个“子像素”，从而得到一张能在200万“像素”的显示器上显示的图片，对吧？

对的，结论是：显示器厂商市场部门里的文科生，比照相机厂商市场部门里的文科生，厚道3倍！

今天就先扯到这吧。顺便插一句，前面提到的和麦克斯韦配合的Thomas Sutton还制作了史上第一台单反相机(Single Lens Reflex，单镜头反射)……

就是下面这种“傻大粗”家伙的鼻祖？

对的。相机发展史扯起来也是令人感慨万分。像柯达，搞出第一台数码相机，又有拜耳等一群大牛，最后却被数码相机逼到破产，把自己的主业“胶卷”搞成了文物。又比如日本相机厂垄断世界相机业的故事，以及最近“家电厂”索尼猛放“黑科技”，都挺有意思，下次想到再说吧。

对于看到“马赛克”而遐想连篇的同学，最后给点补偿：

这位漂亮的妹子是谁？

Lenna，这幅照片是图像处理的标准测试照片，绝大多数学过这门课的理工男，都在这幅图上面折腾过无数“算法”。只是当年，老师只让我们看“局部的真理”……

搜索之，哇塞，这么好的提高全班男生学习积极性的素材老师居然没用！好奇(se)的同学到“参考文献”最后的链接自己看。

参考文献：

https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Sutton_(photographer)

https://en.wikipedia.org/wiki/Cone_cell

https://en.wikipedia.org/wiki/Retina

https://en.wikipedia.org/wiki/Photographic_film

https://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter

http://www.cs.cmu.edu/~chuck/lennapg/