别再争那条裙子是蓝黑还是白金了，这个摄像头能一眼看穿

还记得那条闹得沸沸扬扬的“裙子”吗？有人说它是蓝黑色的，有人却坚称是白金色。这条裙子在2015年刷爆了全球社交媒体，连科学家都被卷入了这场争论。为什么同一张照片，在不同人眼中看到的颜色会完全不同？

它是蓝黑还是白金？| Swiked/Tumblr

其实，这种“眼见不为实”的经历，我们几乎天天都在经历。在餐厅拍了一道色香诱人的菜品，发到朋友圈却变得暗淡无光；在商场里看中一件翠绿色的上衣，拍照发给闺蜜，她却说：“这不是军绿色吗？”

问题不在你的眼睛，而在手机的“眼睛”——摄像头，确切来说，是摄像头里感光用的传感器。这不是某个品牌或者某款手机的问题，而是所有手机都面临的难题。

不过最近，华为在新发布的Mate 70系列手机上带来了一个特别的解决方案—— 一颗被称为“红枫原色摄像头”的新型摄像头。红枫摄像头的全名，叫做“150万像素、9光谱通道摄像头”，分辨率比720P视频稍微清晰一点点。这个摄像头的原理，居然和航天遥感卫星是一样的。

天生“色盲”

这么说可能会让你大吃一惊，但其实你的手机摄像头，和所有的数码相机一样，天生都是“色盲”的。它们的感光元件只能分辨光线的强弱，完全无法分辨颜色。

就像我们眼睛里有无数细小的感光细胞能感受到光线一样，手机摄像头里也布满了这样的感光元件。当光线照到这些感光元件上时，它们只会产生一个简单的信号——“这里有多少光”。但它们不知道这些光是红色的、绿色的，还是蓝色的。这就像一个色盲的人，他能看出亮暗，却分辨不出颜色。

那手机为什么还能拍出彩色的照片呢？这就要提到1974年，柯达公司一位名叫布莱斯·拜耳（Bryce Bayer）的工程师想出的一个绝妙的主意了。

红、绿、蓝三原色可以调配出所有颜色 | Immanuelle

你可能在美术课上学过，红、绿、蓝是三原色，它们的组合可以调配出所有的颜色。想让“色盲”的传感器分辨颜色，最容易想到的方案就是用三块传感器，分别记录红、绿、蓝三种颜色，再组合成一幅图像。

但柯达公司说，这不是目前地球人应该有的技术，造出来了也没人买，太贵。

连柯达也造不起这么贵的设备 | Giphy

拜耳没有放弃。既然三块传感器太贵，那为什么不在一块传感器上做些文章呢？他盯着桌上的摄影用彩色滤光片，突然顿悟：如果把这些小小的彩色滤光片，像铺瓷砖一样贴在传感器上，是不是就能让不同位置的感光点分别记录不同的颜色？

灰色的是传感器，彩色的是滤光片 | Wikipedia

就这样，拜耳设计出了一种像马赛克一样的彩色滤光片阵列：在每四个相邻的感光点上，覆盖一片红色、两片绿色和一片蓝色的滤光片。

为什么绿色滤光片要用两片？这是因为人眼对绿色最敏感，多放一些绿色滤光片，能让照片看起来更符合人眼的感觉。

拜耳的笔记本，中间的方格就是拜耳阵列 | KAPcooney

这个发明彻底改变了数码摄影的历史。今天，几乎所有的数码相机和手机摄像头都在用这种方案。它有个正式的名字，叫“拜耳阵列”，仅需一块传感器，就能拍出彩色图像。

但这个方案并不完美：每个感光点上只能放一种颜色的滤光片，这就意味着每个位置只能记录一种颜色的信息，另外两种颜色的光究竟有多强？答案是不知道，只能靠算法来猜。

这种“猜”的方式在大多数情况下都能应付过去，但在某些场景下就会露馅。特别是在单调的纯色背景，或者复杂的光源下，相机就无法猜出“真正的白色”，白平衡变得乱七八糟，照片色准也就更容易跑偏。

这就是为什么有时候我们会觉得手机拍出的照片“色彩不真实”。

上图由加滤光片的相机拍摄，下图由手机拍摄。哪个更接近现实？yingliuzhizhuzed, GitHub

Mate 70和 Mate 70 Pro都采用了拜耳阵列的排布方式。我们将这种两绿、一蓝、一红的传统排列方式称为RGGB。

在Mate 70 Pro+上，摄像头则采用了RYYB的排列，用黄色替代了绿色。之所以这么做，是因为黄色滤光片的透光性更好，传感器能收集到更多的光线，在暗光环境下拍摄效果更好。

一暗一明，对比明显 | Autel Robotics

不过这也带来了新的挑战：按照红、绿、蓝三原色原理，黄光中既包含红光，也包含绿光。虽然进光量增加了，但黄色滤光片让红光和绿光都可以透进传感器，这样就更难猜测物体到底是红是绿，具体又有多红多绿了。

想要准确还原颜色，需要更复杂的技术。

世界上有多少种颜色？

要解决这个问题，关键就在于：能不能让相机减少“猜测”，直接准确地记录更多颜色信息？

这就是华为“红枫原色摄像头”要做的事。

刚才提到红、绿、蓝三原色，在摄影和遥感中，称之为“通道”。手机和相机就是通过这三个“通道”，采集三种不同颜色的信息，用来合成彩色照片的。但哪怕算力再高、算法再先进，如果只能看到这三种颜色，也总会有力不从心的时候。

最简单的解决方案，是增加通道的数量。

阳光透过三棱镜形成的七色彩虹 | Steed 摄

你一定留意过，当阳光透过三棱镜时，会分散成彩虹的七种颜色。实际上，自然界中真正的光，都可以被分解成不同的颜色，而那些颜色绝不是红橙黄绿蓝靛紫那么界限分明，而是持续不断连续变化的。这些连续变化的颜色，科学家称之为“光谱”。

通道数越多，对现实中光线的还原程度也就越好，照片的色彩也会更加贴近现实。这很好理解，和三原色比起来，七种颜色的组合会更像真实的彩虹，对吧？

颜色越多，越像真的 | EPSON, Britannica

红枫原色摄像头的通道数量为9个。也就是说，在它的不同的感光点上，覆盖了9种不同的滤光片，因此它能“看见”9种不同的颜色，用来拟合真实的光线。

另一种9通道的多光谱传感器，同样有9种滤光片 | 昊量光电

如果用一位画家的调色盘来打比方的话，传统手机摄像头只有红黄蓝3种颜料，而红枫原色摄像头则是一个有9种颜色的调色盘。颜料越多，调配出的颜色就越准确，画出来的画也就越真实。

官网介绍“150万多光谱通道”，断句不明，不太科学 | 华为

红枫原色摄像头的像素数只有150万，这在今天看来确实不高，只略强于iPhone 5s的前置摄像头，但它的职责不是拍照，而是像一位“颜色总监”一样，指导手机上其他高像素摄像头应该如何还原色彩。

天降导演组，准备开拍 | Giphy

这种工作方式带来了明显的效果。以往手机在复杂光线下容易拍出偏色的照片，比如晚霞下的照片偏红，阴天拍摄的照片偏蓝。有了这位“颜色总监”，手机就能更准确地判断现场的光线颜色，从而拍出更接近人眼所见的照片。

上图无红枫摄像头，下图有红枫摄像头 | 石洲朋 摄

还记得文章开头提到的那条裙子吗？如果拍那张照片时，有这样一位“颜色总监”帮忙调色，或许就不会有那么多争议了。

拍花，拍矿，拍地球……

说到这里，你可能会问：这种技术和航天遥感卫星有什么关系呢？

当卫星在几百公里的高空拍摄地球时，它需要准确分辨下面的是森林、农田，还是城市。这个任务并不容易。比如从太空往下看，一片健康的农田和一片受病虫害侵袭的农田可能都是绿色的，普通相机很难分辨。但在多光谱技术下，健康的农作物和生病的农作物会显示出完全不同的“颜色指纹”。通过这种方式，科学家可以及时发现农作物的生长状况，甚至预测产量。

红枫摄像头的原理，和遥感卫星多光谱技术一脉相承，只是它的通道在可见光范围内切割得更加精细。如果有人真能把一台Mate 70送上太空，它的红枫原色摄像头就能像遥感卫星一样工作，拍下地球9通道的卫星照片——虽然分辨率可能差一些。

信使号探测器用多光谱拍摄的地球，红色是被标记的植被 | NASA

目前，这颗摄像头只是摄影管线的一部分，我们还无法直接用它来拍照。假如我们可以单独调用这颗摄像头，说不定能拓展出不少好玩的应用。

理论上，它还可以用来识别花朵、矿物、可乐、种子…… 甚至在厨房里，它还能帮你区分放在罐子里的白色晶体到底是糖还是盐——毕竟在多光谱相机眼中，两者的“颜色指纹”是不一样的。

可乐、酱油、醋和红酒也能靠多光谱来区分 | 友思特

现在只剩下一个问题：手机有了，什么时候买火箭把它送上卫星轨道呢？

参考文献

[1] https://www.imaging-resource.com/news/2012/11/20/bryce-bayer-who-created-bayer-filter-for-digital-cameras-has-died

[2] https://viewsitec.com/infrared-series/hyperspectral-camera/hyperspectral-imaging/

[3] https://www.britannica.com/science/spectrum

作者：深思

编辑：Steed

封面图来源：Swiked/Tumblr