Массив цветных фильтров

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Массив цветных фильтров, Мозаика цветных фильтров — часть светочувствительной матрицы, осуществляющая пространственное цветоделение изображения при помощи фотодатчиков — пикселей матрицы, расположенных за светофильтрами различного цвета. Каждый светочувствительный элемент накрыт одним светофильтром массива.

Таблица расположений цветных фильтров[править | править вики-текст]

схема название описание размер элемента (пикселы)
Bayer pattern Фильтр Байера Наиболее распространенный RGB фильтр. 1 синий, 1 красный, 2 зелёных 2×2
RGBE pattern RGBE Один из зелёных фильтров заменён на изумрудный (англ. emerald). Применялся фирмой Sony в 8-мегапиксельной матрице ICX456 и в фотоаппарате Sony CyberShot DSC-F828.[1] 2×2
CYYM pattern CYYM Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.[2] 2×2
CYGM pattern CYGM Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в некоторых камерах Kodak. 2×2
RGBW pattern RGBW Байер один из зелёных фильтров заменён на белый, в остальном аналогичен стандартному фильтру Байера. Незначительно выигрывает в светочувствительности и на примерно 1 ступень выигрывает в фотографической широте. 2×2
RGBW pattern RGBW #1 три примера RGBW фильтров Kodak, с 50 % белого. По сравнению с остальными, выигрывают в светочувствительности и фотографической широте и проигрывает в цветопередаче. Между собой отличаются необходимыми алгоритмами обработки и характером структурного шума (англ. pattern noise), создаваемого большим (по сравнению с традиционным фильтром Байера) пространственным периодом структуры фильтра. Нашел применение там, где требуется высокая светочувствительность, а цветовая информация вторична: системы технического телевидения, видеонаблюдение, автомобильные видеорегистраторы. 4×4
RGBW pattern RGBW #2
RGBW pattern RGBW #3 2×4
X-Trans pattern X-Trans Благодаря большей области повторения структуры X-Trans (6×6) уменьшается муар, что позволило убрать антимуарный фильтр в фотоаппарате Fujifilm X-Pro 1 и повысило детализацию снимков. 6×6

Дебайеризация[править | править вики-текст]

Поскольку мозаичный фильтр для каждого пикселя выдаёт только цветовой информации, «потерянные» данные приходится восстанавливать, этот процесс называется дебайеризация. Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму. Производители цифровых фотоаппаратов и RAW-конвертеров используют собственные адаптивные алгоритмы, как правило, объявляемые производителем ноу-хау. Впрочем, алгоритмы и настройки большинства RAW-конвертеров восходят к исходным текстам dcraw — конвертера с открытым кодом, о чём многие авторы программ-конвертеров (например, SilkyPix) честно упоминают в документации на программу.

Артефакты дебайеризации на примере женской причёски. Canon PowerShot A610 с использованием CHDK. Масштаб 1:1.
1. Цветные артефакты (SilkyPix Developer Studio).
2. Агрессивное (чрезмерное) применение белого цвета (внутрикамерная обработка).
3. Удачная дебайеризация (Adobe Camera RAW).

Antialiasing Filter[править | править вики-текст]

Антиалиасинговый, сглаживающий, размывающий или низкочастотный фильтр - в разных источниках может использоваться любое из этих названий.

Данный фильтр наносится на матрицу перед цветным фильтром. Его основное назначение это устранение муара на фотографиях, возникающего при съёмке так называемых регулярных структур (часто повторяющихся элементов). Например муар может возникать на кирпичной стене или ткани пиджака, блузки и т.д. Чем более агрессивный сглаживающий фильтр используется, тем меньше вероятность возникновения муара, но такие фильтры имеют и обратную сторону медали: они размыливают картинку фотографии и при детальном рассмотрении получаются нечёткими, размазанными (замыленными). Правда, ощутимая разница между фотографиями сделанными матрицами с фильтром и без возникает только при использовании качественной, резкой оптики. Однако развитие цифровых фотоаппаратов в сторону упрощения их использования, стремление получить конечный продукт — jpg файл, не увеличивая затрат на обработку непосредственно в фотоаппарате, привели к решению о применении рассеивающего фильтра. Это стало компромиссным решением, ныне массово применяемым.[3]

Несмотря на то, что сейчас размывающий фильтр используется в подавляющем большинстве матриц с мозаичными цветовыми фильтрами, в течение 2013 года наметилась тенденция по отказу от сглаживающих фильтров для повышения качества резкости и детализации фотографий. Поначалу производители стали представлять по две модели своих камер, с размывающими фильтрами и без них, а потом и вовсе с обновлением линейки выпускали одну модель без фильтра. Например, Sony A7 и Sony A7R, Nikon D800 и Nikon D800E, Nikon D3300, Nikon D5300, Nikon D7100 и т.д... Фирма Fujifilm вообще стоит особняком в этом плане. Благодаря своим уникальным матрицам с цветным фильтром X-Trans устойчивым к появлению муара из-за особого рисунка цветового фильтра они давно отказались от сглаживающего фильтра. Компания Pentax отличилась тем, что выпустила камеру Pentax K-3 с отключаемым сглаживающим фильтром.

Задолго до этого также фирма Kodak производила две камеры DCS Pro SLR/n и DCS Pro SLR/c[4], в которых использовались матрицы без размывающего фильтра.[5].

Строго говоря, смягчение артефактов этого типа не является обязательным и может быть скомпенсировано постобработкой конкретного изображения в соответствии с целями фотографа.

Развитие CFA[править | править вики-текст]

Фильтр Байера — исходно не только самый первый вариант расположения фильтров на матрице, но и наиболее простой в обработке вариант фильтра. Даже быстрая билинейная интерполяция даёт «конечный результат» в виде полноцветной RGB картинки.

В отличие от традиционного RGGB фильтра Байера, при иных цветах светофильтров получение RGB компонентов каждого пиксела требует более сложных алгоритмов, учитывающих в определённых пропорциях значения всех окружающих пикселов. Однако неидеальность цветопередачи и потеря 2/3 светового потока на фильтрах заставили разработчиков искать возможные изменения массива фильтров.

Улучшение цветопередачи[править | править вики-текст]

Желание увеличить точность цветопередачи зелёных цветов привела к разработке RGEB-фильтра, в котором половина зелёных ячеек заменена зелёно-голубыми («изумрудными», англ. emerald).

 G  R
B  E 

Снимки, сделанные с применением таких матриц, отличаются более плавными переходами голубых цветов и зелёной листвы. Применяется в некоторых камерах фирмой Sony.

Увеличение чувствительности[править | править вики-текст]

Также иногда применяются CYGM-фильтры:

 C   Y 
 G   M 

Данный фильтр интересен тем, что пропускает приблизительно 2/3 падающего света, задерживая 1/3. Тем самым достигается рост общей светочувствительности матрицы. Однако итоговое цветовое пространство оказывается хуже, чем при аддитивном RGB наборе фильтров.

Увеличение чувствительности и фотографической широты[править | править вики-текст]

Фильтры RGBW в нормальных условиях панхроматического освещения дают бо́льшую светочувствительность, но худшую цветопередачу. На освещении, близком к монохроматическому, RGBW превосходит по всем параметрам сенсоры с RGGB-фильтрами за счёт большего числа пикселей, воспринимающих свет.

Сравнение с другими системами[править | править вики-текст]

Преимущества перед трёхматричными системами[править | править вики-текст]

  • компактность;
  • технологичность, возможность производства интегральной микросхемы со всей прилегающей к ней оптической частью (фильтр Байера, микролинзы, low-pass фильтр) как единого целого;
  • отсутствие проблем сведения цветов и механической юстировки;
  • возможность применения в зеркальных аппаратах;
  • возможность применения объектива с малым задним вершинным расстоянием, что существенно уменьшает габариты камеры и упрощает оптическую схему при сохранении характеристик;

Многослойные сенсоры[править | править вики-текст]

Проблемы, присущие фильтрам Байера, было призвано решить новое поколение цифровых светочувствительных матриц — матрицы X3 компании Foveon, в которых каждый пиксель состоит из трёх слоев, каждый из которых воспринимает свой цвет.

Преимущества:[править | править вики-текст]

Более чёткое изображение:

  • Не требуется процедуры интерполяции недостающих компонентов в каждом пикселе.
  • Не требуется постановки перед матрицей размывающего фильтра (обязательного компонента байеровских матриц, он же англ. Anti-aliasing filter) для решения проблемы цветового муара — явления, характерного для мозаичных матриц;

Потенциально лучшие шумовые характеристики:

  • Теоретически, позволяет улучшить соотношение сигнал/шум благодаря отсутствию поглощающих ⅔ светового потока цветных фильтров. Но из-за поглощения светового потока верхними слоями и необходимости восстанавливать насыщенность цвета дополнительной обработкой выигрыш в чувствительности оказывается невелик.
  • По заявлению разработчиков, Foveon Х3 имеет ещё одно интересное свойство — изменяемый размер эффективного пикселя. Малый размер позволяет делать снимки высокого разрешения. Больший — даёт возможность снимать при слабом освещении. Объединение пикселов в системы 1×1, 4×4, 1×2 и т. д. производится в динамическом режиме.[6]

Недостатки:[править | править вики-текст]

  • Недостаточная точность цветопередачи и невозможность её радикального улучшения, так как в наибольшей степени она определяется свойствами кремния как такового, и произвольный выбор красителя для компонентов невозможен.
  • Относительно высокий уровень цифрового шума. К сожалению, разделение оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «чужой» области. В результате, цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании R G B сигналов с сенсора как значений пиксела изображения даёт малоконтрастную ненасыщенную картинку. Для компенсации этого эффекта требуется вводить агрессивный алгоритм восстановления цветового оттенка. Именно вынужденный подъём насыщенности вносит основной вклад в увеличение итогового шума матрицы.[7][8][9]

Сравнение с матрицами с внутрипиксельным цветоделением[править | править вики-текст]

По состоянию на (2008 год) рано говорить о преимуществах матриц с дихроичными зеркалами внутри каждого пикселя (RGB-матрица Nikon), так как они не вышли из стадии прототипа. Однако очевидно, что матрицы с CFA будут иметь перед ними единственное преимущество — технологичность.

Недостатки систем с мозаикой цветных фильтров[править | править вики-текст]

  • Необходимость восстанавливать часть цветовой информации приводит к потере пространственного разрешения в цветных деталях.
  • Процедура восстановления порождает эффект цветного муара и цветные артефакты.
  • Для снижения эффекта цветного муара применяется фильтр нижних частот(low-pass), дополнительно размывающий изображение до его попадания на матрицу. Это приводит к дополнительному снижению разрешающей способности системы в целом и снижению микроконтраста.
  • Снижение резкости в алгоритме и на low pass фильтре делает необходимым применение алгоритмов повышения резкости.

Именно эти объективные недостатки, бывшие особенно заметными на ранних аппаратах с низким разрешением, недостаточно точно выбранной силой low-pass фильтра и достаточно слабым алгоритмами повышения резкости, обусловили распространённое устойчивое мнение о неустранимых недостатках цифровой фотографии по сравнению с плёночной, а также породили другие, менее очевидные легенды.

История, аналоги[править | править вики-текст]

Фильтр Байера и расположение световоспринимающих элементов в одной плоскости ведут своё происхождение от растрового способа цветной фотографии.

Однако, в отличие от пластинок «Автохром», растр на матрице имеет регулярную периодическую структуру. Это иногда приводит, при формально лучших параметрах оборудования, к субъективному мнению о «меньшей естественности» цифровой цветной картинки по сравнению с плёночными, так как в природе периодические структуры большая редкость по сравнению с хаотическими.

Программные библиотеки/утилиты восстановления исходного изображения из мозаики[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  • Soo-Wook Jang, Eun-Su Kim, Sung-Hak Lee, and Kyu-Ik Sohng Adaptive Colorimetric Characterization of Digital Camera with White Balance. — Springer, 2005. — Vol. 3656. — P. 712-719. — ISBN 978-3-540-29069-8.