Цветные фильтры фотосенсоров

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

Таблица расположений цветных фильтров

схема	название	описание	размер элемента (пикселы)
	Фильтр Байера	Cтандартный RGB фильтр. 1 синий, 1 красный, 2 зелёных	2×2
	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.	2×2
	CYYM	Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.	2×2
	CYGM	Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в камерах Kodak.	2×2
	RGBW Байер	один из зелёных фильтров заменён на белый, в стандартном фильтре Байера. Выигрывает в светочувствительности и выигрывает в фотографической широте.	2×2
	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 #2
	RGBW #3		2×4

Фильтр размывающий

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, в которых использовались матрицы без размывающего фильтра. Результатом этого был эффект цветного муара на мелких деталях.

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.

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

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

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

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

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

Преимущества перед трёхматричными системами

• 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

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

• 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

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

См. также

• Методы цветной фотографии
• Цвет

Сноски

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