Цветные фильтры фотосенсоров

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
(перенаправлено с «Массив цветных фильтров»)
Перейти к: навигация, поиск
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Фотосенсор
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Матрица (фото)

Цветные фильтры на базе RGB основных и дополнительных цветов — элемент светочувствительной матрицы — основной части фотосенсора, осуществляющий передачу отдельных цветных предметных точек изображения по фотодиодампикселам матрицы, где каждый пиксел накрыт одним светофильтром массива, несущий один цвет.

Таблица расположений цветных фильтров[править]

схема название описание размер элемента (пикселы)
Bayer pattern Фильтр Байера Cтандартный 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 камерах Kodak.

2×2
RGBW pattern RGBW Байер один из зелёных фильтров заменён на белый, в стандартном фильтре Байера. Выигрывает в светочувствительности и 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, но несколько проигрывает в цветопередаче. Между собой отличаются алгоритмами обработки и характером структурного шума (англ. pattern noise), создаваемого большим (по сравнению с традиционным фильтром Байера) пространственным периодом структуры фильтра. 4×4
RGBW pattern RGBW #2
RGBW pattern RGBW #3 2×4

Фильтр размывающий[править]

Сейчас размывающий фильтр используется в матрицах фотосенсоров с мозаичными фильтрами в большинстве камерах, но его применение не является необходимым. Фирма Kodak производила две камеры DCS Pro SLR/n и DCS Pro SLR/c[3], в которых использовались матрицы без размывающего фильтра. Результатом этого был эффект цветного муара на мелких деталях[4].

Смягчение артефактов этого типа не является необходимым и может быть скомпенсировано постобработкой изображения в соответствии с целями фотографа.

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. [5]

Вместе с тем будущее принадлежимт фотосенсорам без светофильтров (см. Foveon X3-матрица), где вопрос увеличивая затрат на обработку, непосредственно в фотоаппарате и решение о применении рассеивающего фильтра снят. Больше того, последнее время расширяется производство прфессиональных и дюбительсеких цифровых фотоаппаоатов, где с успехом применяется фотосенсор Foveon X3-сенсор) вообще без светофмльтров, обеспечивающий замену цветной фотоплёнки и дающий аналоговые изображения (См.Sigma SD15 и др. цифрокамеры этой фирмы).

Развитие CFA[править]

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 цветной 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]

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]

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 у́же, чем при аддитивном RGB наборе фильтров.

Увеличение чувствительности и фотографической широты[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: RGBW-сенсоры

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]

Преимущества перед трёхматричными системами[править]

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

Сравнение с фотосенсорами без светофильтров[править]

Сравнение фотосенсоров без светофильтров: внутрипиксельных трёхуровневых пикселей фотосенсоров Foveon X3-сенсор‎ или с фотосенсорами, применяющих трехматричный компауд в сочетании с дихроической призмой 3CCD-матрица‎ с однослойными фотосенсорами Nikon RGB-матрица:

  • Главным преимуществом фотосенсоров без светофильтров заключается в том, что они дают возможность получить оптическое изображение аналогично изображению снимаемого объекта. Каждый пиксел поучает одновременно три монолуча RGB, которые излучают снимаемые предметы. В то время как применеие фильтров RGB 2/3 лучей поглощают. Например, красный пиксел срособен принять 1/3 трёхцветного луча (красного) любой точки объекта. Остальные недостающие цвета при помощи сложной системы интерполяции заимствуются у соседних точек. что искажает цветопередачу при съёмке. Фотосенсоры (Foveon X3-сенсор), применяемые в цифрографии, это доказали (см. студийную профессиональную фотокамнру Sigma SD-15).

Тоже мрожно сказать и о фотосенсорах (3CCD-сенсор) и о Nikon RGB-матрица , пока ещё патенте.

Недостатки систем с мозаикой цветных фильтров[править]

  • Необходимость восстанавливать часть цветовой информации приводит к потере 2/3 пространственного разрешения цветных деталей.
  • Процедура восстановления порождает эффект цветного муара и цветные артефакты.
  • Для снижения эффекта цветного муара применяется low-pass фильтр, 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.

История, аналоги[править]

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

См. также[править]

Сноски[править]

  • Adaptive Colorimetric Characterization of Digital Camera with White Balance. — Springer, 2005. — С. 712-719. — ISBN 978-3-540-29069-8>