Проблемы цветной фотографии

В феврале 2010 компания Sigma переанонсировала выпуск своей новой цифровой зеркальной камеры SD15. Как-то мы всегда с прохладой относимся к объективам этой компании, и, скорее всего, также относились бы к их камерам, если бы не один интересный параметр, который отличает зеркалки Sigma от всех остальных. А именно сенсор Foveon X3, который внедряется в них начиная с модели Sigma SD9 (2002 года выпуска). Дело в том, что матрица, сделанная по технологии Foveon позволяет добиться намного более чёткого изображения, чем широко распространённые "байеровские" матрицы.
Не даром название происходит от fovea — центральной ямки сетчатки глаза, обеспечивающей наиболее чёткое изображение.

Как же работает Foveon и чем он лучше?

Прежде всего, напомним о том, как работает большинство современных матриц. Все мы, конечно, помним, что видимый свет принято делить на три составляющие (красную, зелёную и синюю - то есть RGB), из различных сочетаний которых можно воспроизвести любой цвет. Если намешать все три составляющие в равных пропорциях, то получится белый цвет. В человеческом глазу есть так называемые колбочки трёх типов, отличающиеся восприимчивостью как раз к этим трём основным цветам (теория цвета Юнга-Гельмгольца). А если быть более точными, то к длинам волн электромагнитного излучения, воспринимаемым нашим мозгом, как красный, зелёный и синий цвета.

Современные фотосенсоры воспринимают яркость попадающего на них света. Перед разными светочувствительными элементом ставятся разные фильтры, пропускающий только один из трёх цветов, и, зная расположение фильтров, компьютер пересчитывает яркость в цветность. Таким образом, каждый пиксель вашей камеры получает всего около трети необходимой информации о цвете (только тот цвет, который он пропускает), остальные 2/3 безвозвратно теряются.

В каком порядке расположить красные, зелёные и синие пиксели, чтобы цветопередача была максимально правдоподобной? Большинство производителей цифровых фотокамер используют так называемый "фильтр Байера", чередование пикселей в котором следующее:

То есть два зелёных и по одному синему и красному. Удобно ячейки располагать по четыре, но основных цветов всего три и надо было что-то делать с четвёртой ячейкой. Якобы человеческий глаз более восприимчив к зелёному цвету, вот и впихнули два зелёных. Не все согласны с таким сочетанием, например Sony любит использовать матрицы с изумрудно-зелёным вместо второго зелёного:

Kodak тоже захотели избавиться от второго зелёного и в своих матрицах (Color Filter Array Kodak) заменили его на белый (то есть вообще не накрытый никаким фильтром):

У такого типа расположения фильтров есть некое преимущество, особенно при съёмке в условиях, когда объект освещён только одним первичным цветом (синим красным или зелёным). Ведь при таком свете информации доходит до матрицы вообще по минимуму (работает только один цвет) и на помощь приходят вот такие "белые пиксели". Повышается чувствительность к общему количеству света, но падает цветопередача.

В результате применения фильтра Байера получаются три цветных мозаики:

Принцип действия элементов массива Байера [wikipedia]

Посмотрите, сколько информации теряется! Так или иначе, эту мозаичную структуру нужно как-то преобразовать в цветное изображение, таким образом, чтобы каждый пиксель нёс в себе информацию о каждой составляющей цвета (то есть, сколько красного, зелёного и синего приходится на каждый пиксель). На помощь приходит интерполяция (иногда её называют дебайеризацией). Само собой, все эти преобразования не проходят бесследно. В первую очередь страдает резкость изображения. Вторая неприятность кроется в мелких деталях, размер которых сравним с размерами пикселя. Компьютер начинает придумывать то, чего на самом деле нет, а в частности чёрно-белые картинки вдруг становятся цветными. Такие нехорошие эффекты носят название цветного муара. Его пытаются исправлять, располагая перед матрицей размывающий фильтр, который передаёт информацию на соседние ячейки, но от этого страдает чёткость и контрастность картинки.

Представители компании Foveon, которую, кстати говоря, купила Sigma, совершенно не хотят мириться с такими цветными артефактами и нерезкими изображениями и выпускают трёхслойную матрицу. Цвет тут разделяется по мере прохождения сквозь слои кремния разной толщины:

Принцип цветоделения Foveon X3 [wikipedia]

Синяя часть спектра поглощается верхним слоем, зелёная средним, а красная нижним. То есть каждая ячейка содержит информацию сразу о каждом из трёх основных цветов. Это нам даёт три изображения, где нет дыр, которые нужно потом чем-то "замазывать". Сравним два алгоритма получения изображения с двух разных типов матриц:

Сравнение фильтра Байера (слева) и Foveon X3 (справа) [Color Aliasing Comparison: Bayer Color Filters and Foveon X3 – Rudolph J. Guttosch].

Как видно из рисунка, при использовании технологии Foveon X3 отпадает процедура интерполяции и компьютеру не нужно выдумывать несуществующие цвета. В итоге белый - это белый, а зелёный - это зелёный. Заманчиво, правда? :-)

Несмотря на всё это, камеры Sigma пока не пользуются особым спросом. Секрет, по всей видимости, кроется в нераскрученности и недоработанности этих камер. А дорабатывать нужно, в первую очередь, цветопередачу, которая пока страдает.

Но большая загадка - почему никто из китов-фотопроизводителей активно не двигается в направлении развития подобных технологий? Видимо проще напихать побольше пикселей в матрицу, чтобы резкость ограничивалась возможностями оптики. У такого подхода есть свои плюсы: цветные фильтры технологически проще приводить к правильному цвету, чем мучится с дисперсионными свойствами кремния.

Да, есть ещё разработки 3CCD для видеокамер с вот такими призмами:

Canon 3 CCD with Pixel Shift Technology (canon)

Каждый из трёх цветов попадает на свою матрицу, из информации с которых потом склеивается одно цветное изображение. Но разве в зеркалку эту фиговину впихнёшь? Тут встаёт вопрос о необходимости зеркала как такового, но пока зеркало является единственным приемлемым способом работы с видоискателем. Электронные видоискатели сильно затормаживают восприятие снимаемой сцены, разогревают матрицу и жрут аккумуляторы.

Существуют наработки матриц с применением дихроичных зеркал внутри каждого пикселя, но пока их слишком сложно изготовить и всё заканчивается на уровне слухов и прототипов.

О динамическом диапазоне.

Пару слов скажем о динамическом диапазоне сенсора. Наличие "белых" пикселей (внедрением которых занимается компания Kodak) не только уменьшает возможность возникновения муара при дебайеризации. Чем меньше света отсекается фильтром, тем больше динамический диапазон матрицы, который является аналогом фотографической широты плёнки. Вся проблема в невозможности охвата сразу самых ярких и самых тёмных областей снимка, есть  пределы, в рамках которых сенсор способен передать такую высоко контрастную сцену. Чем шире эти рамки, тем круче матрица.

Часто любят сравнивать ячейки матрицы с мерным сосудом, в который наливают воду. Измерить сколько в таком сосуде воды мы сможем только, после того, как она дошла до самой нижней отметки. И все наши измерения под контролем, пока вода не начнёт переливаться через край. То есть, если проводить аналогии с матрицей, то "через карай" - это будет пересвет.

Вся прелесть фотоплёнки в том, что там светочувствительные элементы разные по величине и по восприимчивости к свету - большие отвечают за зону теней (быстрее экспонируются), а маленькие за зону бликов (медленнее экспонируются). В цифровых матрицах все пиксели одинаковые и добиться большого динамического диапазона очень сложно.

Оригинальный метод внедряет компания Fujifilm, известная своей любовью к передовыми технологиям. Их матрица Super CCD EXR состоит их пикселей разного размера, что позволяет значительно расширить динамический диапазон снимка. Кроме того разработчикам удалось более плотно разместить пиксели на матрице за счёт их нестандартного расположения.

Расположение сенсоров на матрицах Super CCD [wikipedia]

Мечты о чёрно-белом фотосенсоре.

Оптимальным было бы вообще убрать все цветные фильтры (кстати говоря, не понятно насколько хорошо они отфильтровывают цвета) и оставить только фотодатчики, накапливающие заряд. Такой сенсор будет улавливать только количество света, а не его составляющие ("красные", "зелёные", "синие" и т.д.). По сути дела, каждый из таких пикселей будет ловить именно ту информацию, которую "посылает" ему объектив, ничего не отсекая, а компьютеру не нужно будет ничего додумывать. Таким образом мы получаем "чёрно-белую" матрицу, зато в разы более качественную. Про дефекты дебайеризации вообще можно забыть.

Не совсем понятно прохладное отношение крупных компаний к изготовлению камер с монохромными сенсорами. Ведь толпы поклонников чёрно-белой плёнки в таком случае серьёзно задумались бы над приобретением подобных моделей и с большей охотой перешли на "цифру". А так, приходится умельцам, вроде этих, вынимать цветные фильтры из камер (уж не знаем как они это делают) и получать отличные результаты, между прочим!

Изображение, полученное на одну и ту же матрицу без RGB фильтров (слева) и с RGB фильтрами (справа).

При изготовлении камер такого типа, производственных заморочек, наверняка, будет меньше, а качество возрастёт в разы. Ведь минимизируя потери информации при прохождении света через различные фильтры даёт преимущества во многих проблемных зонах цифровых фотокамер (больше чувствительности, больше резкости, мягче тональные переходы). Есть, конечно и недостатки таких сенсоров в виде необходимости накручивания различных цветных фильтров на объектив, но настоящих любителей качества это не остановит.

4 Responses to “Проблемы цветной фотографии”

  1. exClipt! says:

    Картинки не грузятся:(

  2. admin says:

    exClipt!, спасибо, что проинформировали. Переделали, посмотрите теперь.

  3. Techzio says:

    Techzio…

    Я практически случайно зашел на этот сайт, но задержался тут надолго. Задержался, потому что все очень интересно. Обязательно скажу о вас …

  4. Карина says:

    мне тоже все очень понравилось! ифнормативно

Leave a Reply