如何选择最佳的拜耳（Bayer）滤镜？

我们都知道相机最重要的原件就是感光元件CMOS/CCD，正如它的名字一样，它真的只是一个“感光”元件，只对光线的明暗敏感，但是无法感知颜色！

如果我们直接用感光元件来成像，它看起来应该是这个样子：

这显然不是我们想要得到的彩色照片。那么如何知道落在每个像素点上的颜色到底是什么颜色呢？睿智的柯达公司科学家Bryce Bayer想到通过在感光元件前加上一个滤镜的方法完美地达到了目的。

如下图，下面一层灰色的是我们的感光元件，每个方块代表一个像素块。上面一层彩色的就是Bayer滤镜。

Bayer滤镜

滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应，也就是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。

比如最左边角的蓝色滤镜块，只允许蓝色光线投到感光元件上，那么对应的这个像素块就只反映蓝色光线的信息。其他滤镜块也同样只允许相应的颜色通过。示意图如下：

注意：这里只是示意图，下面感光元件上是不会出现色彩的，它只记录光线明暗程度，在这里标上颜色是为了了解方便。

由于感光元件每个像素只记录一种颜色信息，所以需要相机的处理器利用反马赛克算法进行插值计算，最终获得一张我们看到的如下彩色图像。

Bayer滤镜上只使用了三种颜色滤镜——红色、绿色、蓝色，也就是RGB。但是三者的比例不是1∶1∶1，而是1∶2∶1（也叫RGBG色彩排列）。(www.xing528.com)

因为自然光中绿色能量和数量上都处于中间段，穿透率比较低，需要通过增加响应面积来弥补。

在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。

由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理。这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大。但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的中央控制器处理芯片。而CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换器（ADC），当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。

CCD与CMOS工作示意图

CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS本身就有模数转换器（ADC），而CCD只能使用外部的模数转换器（ADC）。CMOS图像传感器集成的ADC能够直接将模拟的电压信号直接转换成二进制的数字信号。这些数字信号将被进一步处理后最终根据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种色彩信道，通过相应的像素来显示出具体的颜色和深度。除此之外，还有一主要区别在于读出信号所用的方法。CCD的感光元件除了感光二极管之外，还包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。

而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低。

体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，噪点较明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法与CCD媲美，因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器。

但随着科技的日渐进步，CMOS的制作工艺有了大幅度的提高，到21世纪已经取代了CCD成为了现今数码相机的主流感光元件。