Snímače - masky a filtry
Narazil jsem na pár zajímavých informací, novinek a patentů, které se týkají nových konceptů senzorů a myslím, že by to mohlo pár lidí zaujmout, tak to (včetně nějakého infa navíc) házím i sem... Hlavně z toho důvodu, že krom tradičního bayera a alternativního foveonu existují i jiná řešení a některá z nich by se měla na trhu objevit v následujících 36 měsících - tedy relativně blízké době. Zajímavé jsou hlavně koncepty plnobarevných senzorů Fuji a Nikonu.
Mozaikové senzory
Bayerův filtr / bayerova maska / RGBG
- koncept roku 1976 dr. Bayera ze společnosti Kodak
- dnes nejrozšířenější typ snímače (resp. typ barevného filtru snímačů)
- výrobně (relativně) levný
- díky mnohaletému vylepšování podává slušné výsledky (zmíním níže)
- používán od mobilů po high-end DSLR
- snímá plošně tři základní barvy: červenou, modrou a 2x zelenou (RGBG)
10 megapixelový senzor s bayerovou maskou nese 5 megapixelů senzorů pro zelenou barvu, 2,5 mega pro červenou a 2,5 mega pro modrou. Jednotlivé senzory jsou rozloženy pravidelně ve čtverci 2x2:
- alt. link #1, #2, #3 -
Dvojnásobný počet senzorů zelené barvy je použit z důvodu téměř dvojnásobně vyšší citlivosti lidského oka na zelenou (stejné důvody jako pro zelený bit navíc v 16bit barvách: 5-6-5 pro RGB). Jelikož je obraz získaný bayerovým senzorem barevně nekompletní (pro každý pixel je získána je jedna barevná hodnota), je nutné použít získat chybějící barvy interpolací z hodnot okolních senzorů. Tato interpolace se nazývá demosaic filtering či debayer.
Z důvodu velké vzdálenosti senzorů pro červenou a modrou (a vůbec vzájemnému posuvu senzorů pro jednotlivé barvy) je bayerův filtr náchylný k tzv. barevnému moire:
- alt. link -
U novějších snímačů je tento nedostatek řešen tzv. OLPF (optical low-pass filter) vrstvou na snímači. OLPF má za úkol odstranit detaily takové úrovně, které způsobují na bayerově senzoru výše popsaný (a další podobné) defekty. Princip spočívá v horizontálním a vertikálním snížení ostrosti, které odpovídá zhruba rozsahu dvou nejbližších zelených senzorů v masce. Větší rozsah by redukoval příliš mnoho detailů, nižší by byl neúčinný. OLPF redukuje především moire v zeleném kanálu a jasové složce (ta ale v pravém slova smyslu vznikne až po debayeru), přičemž červený a modrý kanál jsou ovlivněny minimálně (z principu se spoléhá na to, že redukcí moire v jasu a zelené klesne celková úroveň moire na přijatelnou úroveň).
V souvislosti s OLPF ještě stojí za zmínku tzv. microlenses, jejichž přínos je ale na rozdíl od OLPF veskrze pozitivní (OLPF redukuje moire na úkor ostrosti). Jednotlivé barevné senzory spolu totiž nesousedí úplně těsně, ale jsou mezi nimi nezanedbatelné mezery, které pohltí či odrazí dopadající světlo. To znamená, že část světla dopadající na senzor není zachycena a navíc, že nespojité snímání zvyšuje riziko aliasu v obrazu. Tyto nedostatky řeší právě microlenses, které vychylují světlo (které by jinak dopadlo do mezery) do nejbližšího senzoru. Microlenses se ale netýkají pouze bayerova filtru - jsou přínosné pro všechny koncepty.
Po digitalizaci je nutné provést zmíněný demosaic filtering, který interpolací dopočítá chybějící barvy. Minimální použitelný kernel je 2x2, ale jeho kvalita by byla velmi nízká - častěji se používá 3x3, případně složitější algoritmy. Následně ještě může být provedena dodatečná digitální redukce aliasingu, moire a dalších defektů.
Současné trendy vedou ke zdokonalení či náhradě bayerova filtru pokročilejšími alternativami - největším problémem je, že většina řešení nedokáže tento koncept překonat po všech stránkách, případně se dostává na cenově nepřijatelnou úroveň.
- výhody
- vysoké výstupní rozlišení
- nízké výrobní náklady
- mnohaleté zkušenosti, know-how, vyzkoušená jistota
- nevýhody
- 2/3 barevné informace nejsou vyfocené, ale získané digitální interpolací
- ztráta detailů vlivem OLPF
- náchylnost na barevný alias (především červená a modrá)
- náchylnost na barevné moire (především červená a modrá)
- nízká jasová přesnost (jasová informace jednoho pixelu je získána spojením informací z min. tří sousedících senzorů)
RGBE filter
Vychází za bayerova filtru, ale jeden zelený senzor v každé R-G-B-G čtveřici je zaměněn za senzor smaragdové barvy ("emerald", modro-zelená barva):
- alt. link -
Dá se říct, že oproti bayerovi zvyšuje až o 50% přesnost pro modrou barvu, což znamená vyšší barevný rozsah, obzvlášť pro "přírodní" barvy. RGBE filtr byl použit pouze v legendární EVF Sony DSC-F828 a méně známé ICX456
- výhody
- vysoké výstupní rozlišení
- podobný koncept, jako bayer, tudíž podobný způsob digitálního processingu
- vyšší barevný rozsah, než bayer
- obecně nižší šum v modrém kanálu, než u bayerova filtru
- nevýhody
- téměř 60% barevné informace není vyfocených, ale získaných digitální interpolací
- ztráta detailů vlivem OLPF
- náchylnost na barevný alias (především červená)
- náchylnost na barevné moire (především červená)
- nízká jasová přesnost (jasová informace jednoho pixelu je získána spojením informací z 2-3 sousedících senzorů)
CYGM filter
Další variace na téma bayer, tentokrát ze základní čtveřice R-G-B-G ponechává pouze jeden zelený senzor a ostatní zaměňuje za žlutou (yellow, Y), modrozelenou (cyan, C, obdoba emerald) a purpurovou (fialová, magenta, M):
- alt. link -
Maska CYGM byla využita jen u několika produktů společnosti Canon a Sony kolem roku 2000.
- výhody
- vysoké výstupní rozlišení
- podobný koncept, jako bayer, tudíž podobný způsob digitálního processingu
- přesnější jasová informace (2/3 senzorů snímají dvě základní barvy)
- pouze 40% barevné informace je získáno interpolací (u bayeru 66%)
- oproti bayeru nižší barevné moire
- oproti bayeru nižší barevný alias
- nevýhody
- výrazně nízká citlivost na modrou a červenou a vyplývající nižší barevný rozsah
RGBW filter
Nová technologie patentovaná v roce 2007. Využívá tzv. panchromatické senzory (panchromatic cells). To jsou v podstatě senzory, které jsou stejnoměrně citlivé na všechny barvy, takže snímají pouze jasovou složku. De-facto černobílý obraz (W = white = bílá). Prvně o jejich využití v barevné digitální fotografii začal mluvit Kodak. Konkrétně šlo o ideu zvýšení dynamického rozsahu bayerova filtru záměnou jednoho zeleného senzoru (R-G-B-G) za panchromatický -> R-G-B-W.
- alt. link -
Tím by došlo téměř ke zdvojnásobení dynamického rozsahu čipu na úkor 50% zelené. Výsledkem by měl být především nižší jasový šum.
Základní RGBW masku zatím nepoužívá žádný fotoaparát.
- výhody
- vysoké výstupní rozlišení
- podobný koncept, jako bayer, tudíž podobný způsob digitálního processingu
- přesnější jasová informace oproti bayeru (u bayeru průměrně 33% na senzor, zde 50%)
- vyšší dynamický rozsah
- nižší jasový šum
- nevýhody
- 75% (!!!) barevné informace je získáno interpolací
- vyšší náchylnost k barevnému moire i aliasu než bayer
další panchromatické masky
Kodak vyvinul další masky, které hodlá nasadit komerčně. Mění rozložení barevných senzorů (už tolik nevycházejí z bayera) a přidávají více panchromatických senzorů na úkor barvy:
- alt. link -
výhody a nevýhody jsou bodobné, jako u předchozí masky jen s tím rozdílem, že dynamický rozsah bude vyšší, úroveň šumu nižší a 83%(!!!) barvy vzniká interpolací (pouze 17% je skutečně zachyceno senzorem). Takový senzor je podle mého názoru použitelný spíše pro low-endová řešení, jako levné kompakty, mobilní telefony a webkamery. Barevné moire a alias zřejmě budou za hranicí únosnosti.
Infra-bayerův senzor
Obdoba RGBW s tím, že místo panchromatického senzoru je snímáno infračervené záření pro zvýšení citlivosti senzoru. Patent roku 2007.
Odpověď s citací
VIP
