Массив цветных фильтров

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Массив цветных фильтров (мозаика цветных фильтров) — часть светочувствительной матрицы фотоприбора, 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 код]

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 Байера 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 код]

Поскольку каждый элементарный фотодиод матрицы находится за элементарным светофильтром, он фиксирует только информацию о яркости своего пикселя в частичном цветоделённом изображении. Для получения цветного изображения в одном из стандартных цветовых пространств необходима интерпретация этих данных при помощи процесса под названием дебайеризация. При этом происходит разделение пикселей, регистрирующих красный, зелёный и синий цвета, а затем информация преобразуется в цветной файл. 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).

Сглаживающий фильтр[править | править код]

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 — 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 — файл jpg, 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 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 матрицам с цветным фильтром X-Trans, устойчивым к появлению муара из-за особого рисунка цветового фильтра, они 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 код]

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 компонентов RGB 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 код]

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 код]

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 код]

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

Сравнение с другими системами[править | править код]

Преимущества перед трёхматричными системами[править | править код]

  • 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;

В сравнении с многослойными сенсорами[править | править код]

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.

  • Однако цветопередача таких матриц в наибольшей степени определяется свойствами кремния как такового, и произвольный выбор красителя для фильтрации компонентов невозможен.
  • К сожалению, в многослойных матрицах разделение цветов оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «чужой» области. В результате цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании сигналов R, G, B 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.[6][7][8]

Сравнение с матрицами с внутрипиксельным цветоделением[править | править код]

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 код]

  • 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 фильтре low pass делает необходимым применение алгоритмов повышения резкости.

Именно эти объективные недостатки, бывшие особенно заметными на ранних аппаратах с низким разрешением, недостаточно точно выбранной силой фильтра low-pass 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 код]

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 код]

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Phil Askey, Sony Cybershot DSC-F828 Review, DPReview.com, январь 2004. (англ.)
  2. О цветокоррекции разных CFA от Kodak (недоступная ссылка) (англ.)
  3. Brian W. Keelan. Handbook of Image Quality: Characterization and Prediction. — Marcel–Dekker, 2004. — P. 390. — «increasing fill factor provides a more favorable exchange of sharpness and aliasing than does increasing spot separation, probably because of the poor stop-band characteristics of the birefringent filter». — ISBN 0824707702. (англ.)
  4. Kodak DCS Pro SLR/c Review (англ.)
  5. Пример муара при воспроизведении мелких деталей без AA фильтра (англ.)
  6. Rush and Hubel, supra, pp. 3-5.
  7. IXBT.COM: Оценка шумовой характеристики матрицы Foveon X3 против традиционных мозаичных матриц
  8. Foveon изнутри
  • 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. — DOI:10.1007/11559573_87.