Megapiksele, kolory i szumy

-

czyli wszystko o matrycach aparatów

Autor: Marcin Pawlak, Jarosław Zachwieja

Konstruktorzy aparatów cyfrowych prześcigają się w wymyślaniu coraz to bar-

dziej zaawansowanych sensorów i odmiennie działających metod rejestracji

kolorowego obrazu. Przedstawiamy, czym różnią się od siebie najczęściej sto-

sowane w aparatach matryce.

Matryca fotograficznego aparatu cyfrowego pozwala na rejestrowanie obrazu rzuto-

wanego przez obiektyw i pełni analogiczną funkcję jak dobrze znany film światłoczuły

stosowany od lat w tradycyjnych aparatach analogowych. W najprostszym wydaniu

"cyfrowa klisz

a" jest szachownicą miniaturowych fotoelementów, które dokonują po-

miaru natężenia padającego na nie światła. Odczytana wartość zgromadzonych

przez fotoelement ładunków elektrycznych zawiera informację o jasności obrazu pa-

dającego na matrycę. Niestety same elementy światłoczułe nie potrafią rejestrować

informacji o barwie (chrominancji) padającego na nie światła, a jedynie o jego natę-

żeniu (luminancji), dlatego tak uzyskany obraz jest monochromatyczny – tak, jak

czarno-

biała fotografia.

Prosta matryca światłoczuła nie rejestruje informacji o barwie padającego światła,

dlatego uzyskiwany obraz jest monochromatyczny.

Otrzymany obraz ma postać szachownicy punktów (pikseli), odwzorowujących układ

elementów światłoczułych sensora. Dokładność tej informacji zależy od powierzchni,

z jakiej zbiera światło pojedynczy element – im są one mniejsze i gęściej upakowane,

tym dokładniej rejestrowany jest padający na matrycę obraz, a więc większa jest jego

rozdzielczość.

Sposób pracy matrycy powoduje, że zapisany obraz ma nieciągłą strukturę – składa

się z szachownicy punktów o zmiennej jasności.

Przy odpowiednio dużym zagęszczeniu elementów sensora ludzki wzrok przestaje

dostrzegać granice pomiędzy poszczególnymi punktami i zarejestrowaną mozaikę

postrzegamy jako ciągły obraz. W przeciwnym wypadku zauważamy pojedyncze

elementy składowe obrazu – piksele.

Odpowiednio duża liczba punktów przetwornika powoduje, że fotografowany obraz

zawiera wystarczającą liczbę szczegółów.

Wydawać by się mogło zatem, iż zwiększenie liczby elementów światłoczułych jest

prostą metodą na poprawę szczegółowości rejestrowanego obrazu. Reklamy cyfro-

wych aparatów fotograficzny starają się utwierdzić nas w tym przekonaniu. Ba, moż-

na nawet przeczytać o "wspaniałych 10 megapikselowych rezultatach" – to cytat z

oficjalnych materiałów prasowych znanego japońskiego producenta. Sytuacja nie jest

jednak tak prosta.

Po pierwsze, liczba punktów przetwornika jest tylko jednym z elementów wpływają-

cych na sz

czegółowość obrazu. O wiele ważniejszym parametrem jest jakość

optyczna zastosowanego obiektywu. Jeśli ten nie będzie dawał odpowiednio ostrego

obrazu, nawet największa rozdzielczość matrycy światłoczułej nie "uratuje" straco-

nych detali obrazu.

Po drugi

e, zagęszczanie elementów światłoczułych i związane z tym zmniejszanie

ich rozmiaru niesie ze sobą konkretne, negatywne skutki. Od pola powierzchni ele-

mentów przetwornika zależy bowiem zdolność do przetwarzania światła na sygnały

elektryczne. Małe elementy słabo sprawują się przy niedostatecznym oświetleniu, a

konieczność wzmacniania wytwarzanego przez nie sygnału prowadzi do powstawa-

nia zakłóceń obrazu, zwanych potocznie szumami. Szum można co prawda zniwelo-

wać na drodze programowej obróbki obrazu, ale – ponownie – kosztem szczegóło-

wości obrazu.

Bezkrytyczne zwiększanie liczby punktów przetwornika (liczonych w megapikselach,

gdyż dzisiejsze matryce światłoczułe mają ich miliony) ma również skutki niezwiąza-

ne z jakością obrazu. Większa liczba punktów obrazu oznacza większą objętość pli-

ku, w postaci którego zdjęcie zostanie zapisane na karcie pamięci. Dostępne obecnie

karty pamięci są już tak tanie, że nie jest to problemem od strony kosztów. Jednak

duża objętość zdjęć staje się problemem, gdy chcemy je poddać cyfrowej obróbce

bądź po prostu wyświetlić na ekranie telewizora korzystając ze stacjonarnego odtwa-

rzacza DVD/DivX.

Jak widać zatem, więcej nie zawsze znaczy lepiej.

Od szarości do koloru

Jak już wspomnieliśmy, pojedyncze elementy matrycy światłoczułej rejestrują jedynie

natężenie padającego na nie światła. W jaki sposób uzyskiwany jest zatem obraz

kolorowy? W najpowszechniej spotykanym rozwiązaniu przed każdym elementem

przetwornika umiesz

czony jest filtr barwny w jednym z trzech kolorów podstawowych:

czerwonym (R), zielonym (G) lub niebieskim (B). Po

woduje on, że dany element re-

jestruje natężenie światła jedynie o ściśle określonej barwie. Tak otrzymany obraz

nie nadaje się co prawda do oglądania, jednak w dalszym ciągu zawiera pełną infor-

mację o luminancji dla całej powierzchni zdjęcia, a ponadto wyrywkowe dane o bar-

wie.

Dzięki zastosowaniu filtrów RGB możliwe jest rejestrowane informacji o barwie świa-

tła padającego na matrycę.

Można by się jednak zapytać, dlaczego obrazu odczytanego z tak skonstruowanej

matrycy nie można bez dalszego przetwarzania oglądać? Zobrazujemy to na przy-

kładzie. Gdy przyjrzymy się dokładniej zdjęciu, zobaczymy na nim drobny wzorek,

który jest jeszcze bardziej widoczny na powiększonym fragmencie zdjęcia.

F

ragment zdjęcia w postaci nieprzetworzonego zapisu danych z matrycy światłoczu-

łej.

Duże powiększenie wyraźnie pokazuje, iż "surowy" obraz zapisany przez matrycę

aparatu nosi wyraźne "ślady" układu filtrów w postaci dość regularnego wzoru.

Na powiększonym fragmencie zdjęcia wyraźnie widać, iż filtry składowych RGB mają

różną siłę oddziaływania.

Skąd bierze się ten wzór? Filtry barw podstawowych (czerwony, zielony i niebieski)

nałożone na fotoelementy "zabierają" różną ilość światła, a czerwony zatrzymuje go

najwięcej. Dlatego nawet do odtworzenia czarno-białego zdjęcia monochromatycz-

nego konieczn

e jest wyrównanie tych różnic. Nie jest to trudne, gdyż elektronika apa-

ratu "wie", jaką siłę oddziaływania mają poszczególne filtry RGB.

Wracamy więc do pytania skąd zatem biorą się kolory na zdjęciach? Jak się okazuje,

zarejestrowane informacje w wysta

rczają, by poprzez interpolację odtworzyć infor-

mację o chrominancji (barwie) danego punktu obrazu. By tego dokonać, procesor

aparatu uwzględnia informację o luminancji i barwie punktów sąsiednich. Ponieważ

szachownicy fotoelementów nie da się w równomierny sposób podzielić pomiędzy

trzy kolory składowe, punktów odpowiedzialnych za rejestrację zieleni (G) jest dwa

razy więcej niż dla koloru niebieskiego (B) i czerwonego (R). Taki układ filtrów

barwnych opracowany został w roku 1976 przez pracującego w laboratoriach Ko-

daka naukowca Bryce'a Bayera

i stosowany jest w większości aparatów cyfro-

wych do dziś. Nie jest to jednak jedyny możliwy układ filtrów. Zdarzają się również

zestawy filtrów o innej charakterystyce. Przykładowo firma Sony wiele lat temu pro-

ponowała sensory z zestawem filtrów RGBE, gdzie połowa z filtrów zielonych zastą-

piona została szmaragdowymi (E od ang. emerald). Rozwiązanie to nie przyjęło się

jednak na rynku.

Informacja o barwie pojedynczego punktu obrazu jest interpolowana na podstawie

danych pochodzących z sąsiednich komórek matrycy

Jak widać, liczba otrzymanych przez interpolację punktów obrazu jest nieco mniej-

sza, niż liczba elementów światłoczułych, które tworzą matrycę. Stąd bierze się róż-

nica pomiędzy dwiema wartościami, które łatwo można znaleźć w specyfikacji każ-

dego aparatu cyfrowego -

mianowicie pomiędzy liczbą punktów (pikseli) przetworni-

ka, a efektywną liczbą punktów obrazu.

Za interpolację informacji o kolorze zazwyczaj odpowiedzialny jest procesor obrazu

wbudowany w aparat, tak się dzieje w przypadku rejestrowania zdjęć w formatach

JPEG bądź TIFF. Inaczej jest, gdy zdjęcie zapisujemy w postaci plików RAW.

Zbiór taki jest surowym zapisem informacji odczytanej przez matrycę aparatu, zaś

całe jej przetwarzanie do czytelnej dla nas postaci odbywa się podczas obróbki ta-

kiego pliku na komputerze.

Po przekątnej, czyli matryce od Fuji

Przedstawiona na poprzedniej stronie kon

strukcja matrycy Bayera, chociaż jest naj-

częściej spotykaną, nie jest jedyną stosowaną w aparatach cyfrowych. Firma Fujifilm

zaproponowała zupełnie nowy sposób rozmieszczenia elementów światłoczułych na

powierzchni sensora. W matrycach z serii SuperCCD

pojedyncze komórki nie dość,

że są ośmiokątne (zamiast tradycyjnych, prostokątnych), to jeszcze rozmieszczone

zostały po przekątnej. Według producenta układ taki pozwala lepiej wykorzystać po-

wierzchnię matrycy, dzięki zmniejszeniu odstępów pomiędzy pojedynczymi fotoele-

mentami (ze względów technologicznych nie wypełniają one szczelnie całej po-

wierzchni matrycy

– są pomiędzy mini pewne odstępy). Układ zaproponowany przez

Fujifilm komplikuje jednak obróbkę obrazu. Ponieważ rozmieszczenie elementów

matrycy nie

pokrywa się z układem pikseli obrazu, interpolować trzeba również in-

formację o luminancji. Zaletą takiego rozwiązania jest za to możliwość uzyskania ob-

razu o większej szczegółowości.

Oktagonalny układ elementów matrycy SuperCCD HR pozwala na lepsze wykorzy-

stanie powierzchni sensora.

Firma Fujifilm nie poprzestała jednak na modyfikacji układu elementów. Aby zwięk-

szyć rozpiętość tonalną rejestrowanego obrazu, zastosowała dodatkowe elementy

światłoczułe, pracujące z inną (mniejszą) czułością niż główne fotodiody przetworni-

ka. Owe dodatko

we elementy rejestrują "niedoświetlony" obraz, pozwalając w ten

sposób uzyskać dokładniejszą informację na temat "przepalonych" obszarów zdjęcia.

Jest to rozwiązanie podobne do stosowanego w analogowych błonach o dużej roz-

piętości tonalnej, w których również używane były dodatkowe warstwy światłoczułe o

obniżonej czułości.

Wprowadzenie dodatkowych, niskoczułych punktów pozwoliło zwiększyć rozpiętość

tonalną rejestrowanego obrazu.

Wspomniane zalety sprawiły, że aparaty Fujifilm zdobyły sobie w swoim czasie duże

uznanie fotografów mody i specjalizujących się w dokumentowaniu ślubów. W tych

zastosowaniach możliwość "uratowania" prześwietlonej jasnej kreacji jest nie do

przecenienia.

Dwa razy więcej punktów – czy dwa razy lepiej?

Na targach Photokina 2008 firma Fujifilm zaprezentowała zupełnie nowy typ prze-

twornika o nazwie Super CCD EXR

, który łączy zalety obydwu konstrukcji oraz je

udoskonala. Choć nie został zaprezentowany jeszcze żaden model aparatu wyposa-

żony w sensor tego typu producent zapewnia, że nowa konstrukcja już wkrótce udo-

wodni swoją wyższość zarówno nad poprzednikami jak i nad tradycyjnymi matrycami

CCD i CMOS opartymi o

mozaikę Bayera. Ciekawe czy podobnie jak w przeszłości

kolejna lustrzanka Fuji

film będzie bazowała na korpusie profesjonalnej lustrzanki Ni-

kona (tym razem np. na D300)?

Schemat budowy matrycy Super CCD EXR oraz porównanie struktury starych wersji

sensorów Super CCD z najnowszą.

W matrycach Super CCD EXR od razu rzuca się w oczy zmiana układu filtrów barw-

nych odpowiadających za to, które komórki światłoczułe będą odczytywały informacje

o konkretnych barwach składowych. Zamiast mozaiki składającej się z punktów nie-

bieskich i czerwonych otaczanych z czterech stron przez zielone, zastosowano bu-

dowę "pasiastą". Jak się jednak łatwo przekonać zmiana ta jest tylko pozorna.

Schemat parowania się fotodiod odczytujących barwy składowe o mniejszym i więk-

szym natężeniu światła.

Najważniejszą innowacją nowej matrycy jest rozdzielenie układów rejestrujących ja-

śniejsze i ciemniejsze partie obrazu z jednego układu podwójnego na dwa niezależ-

ne, ze sobą sąsiadujące. Dzięki temu informacja o kompletnej barwie ciemniejszych i

jaśniejszych partii obrazu odczytywana jest z większej powierzchni przetwornika, niż

miało to miejsce w sensorach typu SR. Co ważniejsze, zarówno układy typu A (od-

powiadające za jasne partie obrazu) jak i B (odpowiadające za ciemne partie obrazu)

są tej samej wielkości, co według producenta ma zwiększyć precyzję odczytu.

Taka zmiana w konstrukcji przetwornika wymaga oczywiście zastosowania zupełnie

nowe

go procesora obrazu, który będzie dokonywał interpolacji (składania) sygnału

pocho

dzącego ze wszystkich trzech składowych barwnych o dwóch różnych natęże-

niach

– co w sumie daje sześć typów danych. Na potrzeby realizacji tego zadania

opracowa

no odpowiedni procesor, którego rezultaty działania mają zapewnić mak-

symalny możliwy poziom detali w zarejestrowanym obrazie.

Schemat separacji informacji o barwie jaśniejszych i ciemniejszych obszarów zdjęcia.

Co osiągnięto stosując tak nietypową kombinację? Producent twierdzi, że udało się w

ten sposób zwiększyć powierzchnię pojedynczych fotoelementów, które mogą w ten

sposób przechwytywać więcej światła. Z pewnością pozwoliło to również uprościć

proces produkc

ji, gdyż obecnie wszystkie elementy przetwornika mają te same roz-

miary, a "dwuczęściowe" elementy SR miały z pewnością bardziej skomplikowaną

budowę. Podobnie jak w matrycy SR, dzięki oktagonalnemu kształtowi, zagęszczono

też rozmieszczenie elementów, dzięki czemu "jałowa przestrzeń", która nie prze-

chwytuje informacji o świetle jest mniejsza niż w rozwiązaniach klasycznych. Ma to

zarówno pozytywnie wpłynąć na rozpiętość tonalną zdjęć, jak i zmniejszyć poziom

szumów rejestrowanych przez aparat.

Na praktyc

zną weryfikacje tych deklaracji przyjdzie jeszcze poczekać do momentu

premiery pierwszych aparatów z opisywaną matrycą. Jedno co na pewno wiadomo,

wobec ogromnego postępu jakiego dokonali wytwórcy klasycznych przetworników,

nie będzie to zadanie proste.

Foveon

– odmienny sposób na kolor

Jeszcze inną drogą niż poprzednicy podążyła firma Foveon, mimo że zaproponowa-

ne przez nią rozwiązanie nieco przypomina budowę barwnego filmu światłoczułego.

Otóż matryca X3 składa się z trzech warstw sensorów, z których każda odpowie-

dzialna jest za rejestrację innej składowej RGB. X3 nie zawiera przy tym barwnych

filtrów w układzie bayerowskim – funkcję filtrów pełnią półprzezroczyste warstwy

sensorów. Rozwiązanie takie powoduje, że dla każdego z punktów sensora odczyty-

wan

a jest pełna informacja o kolorze, nie jest zatem potrzebna interpolacja informacji

o barwie pomiędzy sąsiednimi punktami obrazu. Dzięki temu rejestrowany obraz jest

bardzo szczegółowy również w kwestii kolorystyki. Trzeba pamiętać, że interpolacja

zawsze

powoduje pewną utratę detali. Z kolei minusem są dość wysokie szumy reje-

strowane na zdjęciach przy wyższych czułościach matrycy, zwłaszcza w kanale

czerwonym. Spowodowane jest to tym, że do najniższej warstwy sensorów, odpo-

wiedzialnej za kolor czerwony doc

iera najmniej światła (część zabierają wyżej poło-

żone warstwy).

Choć rozwiązanie zastosowane przez Foveona gwarantuje bardzo wierne odwzoro-

wanie kolorów, zupełnie nie sprawdza się przy rejestracji słabo oświetlonych scen.

Kolejne warstwy sensorów pochłaniają na tyle dużo światła, że do ich grupy znajdu-

jącej się na spodzie dociera go już zbyt mało.

Chociaż pomysł Foveona na przetwornik X3 można nazwać bez mała rewolucyjnym,

jak na razie jedynie Sigma zdecydo

wała się na dłuższy mariaż z matrycami tej firmy.

Nie obyło się jednak bez problemów. Pierwsze lustrzanki SD9 i SD10 miały poważne

problemy z zaszumieniem ob

razu przy wyższych czułościach ISO. Problem przetwa-

rzania obrazu pochodzącego z wielowarstwowej matrycy okazał się na tyle poważny,

iż na kompaktowy model Sigma DP1 trzeba było czekać kilka lat, a prace nad proce-

sorem obrazu w pewnym momencie r

ozpoczęto od nowa. Dziś doczekaliśmy się

"już" drugiego kompaktu oznaczonego DP2, ale wobec bogactwa oferty konkurencji

wciąż są to aparaty niemalże eksperymentalne. Nie zanosi się też, by inni producenci

zdecydowali się na stosowanie nowatorskiego przetwornika.

Matryca światłoczuła to nie tylko fotolementy

Matryca to nie tylko szachownica detektorów i filtrów. Ponieważ elementy światłoczu-

łe rejestrują nie tylko widzialną część widma, przed matrycą umieszczony jest filtr

podczerwieni. Gdyby nie jego obecność, fotografie byłyby zafałszowane dodatkowym

obrazem

rejestrowanym w promieniowaniu niewidzialnym. Siła jego oddziaływania

różni się w zależności od producenta, co powoduje, że różne aparaty w odmiennym

stopniu nadają się do fotografowania w podczerwieni.

Zazwyczaj jest to integralna część matrycy, ale zdarzają się wyjątki. We wspomnia-

nych już lustrzankach Sigmy jest to osobny element zamontowany przed (!) lustrem i

szczelnie zamykający dostęp do wnętrza aparatu. Dzięki takiemu umiejscowieniu

dodatkowo chroni on komorę lustra przed zanieczyszczeniami. Co ciekawe, w razie

potrzeby ów filtr można łatwo zdemontować.

Kolejnym elementem umieszczonym tuż przed matrycą jest optyczny filtr dolnoprze-

pustowy. Jego zadaniem jest wyelimino

wanie z obrazu wzorów o częstotliwości

przekraczającej zdolności rozdzielcze matrycy, dzięki czemu eliminowane jest zjawi-

sko mory, czyli barwnych wzorków interferencyjnych.

Przetwornik w okularach

Przetworniki obrazu wytwarzane są w technologiach, które wymagają pewnych od-

stępów pomiędzy poszczególnymi fotoelementami. Odstępy te wcale nie są znikome

co powoduje, iż spora część powierzchni przetwornika stanowi obszar "martwy" i nie

uczestniczy aktywnie w rejestracji obrazu. Z tego powodu obecnie powszechnie sto-

suje się powłokę miniaturowych soczewek nakładanych na powierzchnię matrycy

fotoelementów. Zbierane przez nie światło kierowane jest na powierzchnię elemen-

tów światłoczułych przetwornika. Odstępy pomiędzy mikrosoczewkami są znacznie

mniejsze niż pomiędzy fotoelementami, dlatego aktywna powierzchnia tak skonstru-

owanego przetwornika optymalnie wykorzystana.

Zastosowanie mikrosoczewek pozwala zwiększyć powierzchnię aktywnie zbierającą

światło padające na powierzchnię przetwornika aparatu.

Zastosowanie mikrosocze

wek ma też inne zalety. Pojedyncze elementy światłoczułe

mają postać miniaturowych "studni" z powierzchnią aktywną znajdująca się na dnie.

Powoduje to, iż przy mniejszych kątach padania światła część powierzchni aktywnej

fotoelementu znajdu

je się w "cieniu" rzucanym przez jego ścianę. Jest to przyczyną

swoistego winieto

wania, które zdarza się przy połączeniu obiektywów z dużą tylną

soczewką oraz matryc o niewielkiej przekątnej. Zastosowanie mikrosoczewek skupia-

jących światło na "dnie" fotoelementu pozwala w dużej mierze uniknąć tego efektu.

Trzy matryce w jednej, czyli lustra zamiast filtrów

Stosowane dotychczas w apara

tach cyfrowych matryce światłoczułe do rozdziału

światła na składowe RGB wykorzystują umieszczone nad poszczególnymi fotoele-

mentami filtry pochłaniające światło, dzięki czemu dany fotoelement rejestrował wy-

łącznie promieniowanie o określonej częstotliwości. Niestety, taki sposób działania

powoduje, iż znaczna część padającego na sensor światła była marnowana, nie

uczes

tnicząc w rejestracji obrazu – jest to jedna z przyczyn, dla których na zdjęciach

wykonanych w słabych warunkach oświetleniowych możemy zobaczyć charaktery-

styczne szumy. Ponadto taka budowa ma

trycy powoduje, że pełna informacja o kolo-

rze dla danego punku uzyskiwana jest po

przez interpolację danych pochodzących z

punktów sąsiednich – powoduje to nieunikniony spadek szczegółowości informacji o

kolorystyce obrazu. Problemu tego nie rozwiązuje również technologia X3 Foveona,

gdyż umieszczone jedna nad drugą warstwy sensorów również pochłaniają znaczne

ilości padającego na przetwornik światła.

W droższych modelach kamer wideo stosuje się inny sposób separacji rejestrowane-

go obrazu na składowe RGB. Otóż obraz rzutowany przez obiektyw przechodzi przez

układ tzw. pryzmatów dichroicznych, który rozdziela go na trzy osobne wiązki, odpo-

wiadające składowym RGB, po czym każda z nich kierowana jest na osobną matry-

cę.

W układach trójprzetwornikowych zestaw pryzmatów dichroicznych rozdziela światło

na trzy wiązki kierowane do osobnych matryc światłoczułych, odpowiadających za

rejestrację składowych RGB. (fot.: wikimedia)

Zaletą takiego rozwiązania jest fakt, iż strumień światła padającego na pryzmat di-

chroiczny separowany jest na składowe niemal bez strat, dzięki czemu efektywność

takiego układu jest bardzo wysoka. Ze względu na duże rozmiary i stopień komplika-

cji układu pryzmatu i trzech matryc rozwiązania tego nie stosuje się jednak w apara-

tach fotograficznych.

W ujawnionym w 2007 roku wniosku patentowym Nikon zaproponował nowatorskie

rozwinięcie tego pomysłu, które pozwala zintegrować całość do postaci pojedyncze-

go, p

łaskiego przetwornika. Pomysł Nikona zakłada umieszczenie pomiędzy po-

wierzchnią matrycy (która przykryta jest maską z otworami – źrenicami), a mikroso-

czewką zestawu luster z naniesionymi filtrami dichroicznymi. Ich zadaniem jest kie-

rowanie światła o określonej barwie do osobnych fotoelementów – jednak bez osła-

biania pozostałych części spektrum.

Dzięki temu rozwiązaniu każdy z fotoelementów otrzyma tę samą ilość światła, bez

żadnych strat, gdyż światło padające na zestaw luster dichroicznych jest separowane

na składowe poprzez odbicie promieniowania o określonej częstotliwości, a nie jego

pochłanianie. Tym samym duży, pryzmatyczny separator RGB z kamer wideo zosta-

nie przeniesiony w miniaturowej wersji na po

wierzchnię samej matrycy.

Taka konstrukcja matrycy ma kilka ogromnych zalet. Po pierwsze, pozwala uniknąć

interpolacji informacji o kolorze,

co powinno podnieść szczegółowość rejestrowanego

obrazu. Pod tym względem jest to rozwiązanie konkurencyjne dla technologii X3

Foveona. Po drugie, ograniczenie strat światła na filtrach RGB pozwoli znacznie

zmniejszyć szumy rejestrowanego obrazu.

Orygin

alny pomysł Nikona, zaprezentowany we wspomnianym wniosku patentowym,

ma też ograniczenia. Poważnym jest stosunkowo niewielka powierzchnia fotoele-

mentów, ograniczona ich układem na powierzchni przetwornika, co widać na poniż-

szej ilustracji.

W rozwiązaniu Nikona elementy światłoczułe mają stosunkowo niewielką powierzch-

nię.

Okazuje się jednak, iż problem ten można stosunkowo łatwo obejść, przesuwając

poszczególne linie fotoelementów względem siebie. Dzięki temu, jak widać na poniż-

szej ilustracji, pojedyncze fotoelementy mogą mieć dużo większą powierzchnię.

Przesunięcie poszczególnych linii przetwornika względem siebie pozwala lepiej za-

gospodarować powierzchnię sensora.

Inną zaletą takiego układu jest najbardziej efektywne z możliwych ułożenie mikroso-

czewek pod względem zagospodarowania powierzchni przetwornika. Układ taki ma

też swoje wady – podobnie jak w wypadku "ukośnych" sensorów Fujifilm, bardziej

skomplikowana jest

interpolacja danych do prostokątnego układu pikseli obrazu.

Pomysłodawca tej modyfikacji pomysłu Nikona nie jest nam znany, a natrafiliśmy na

nią na fotograficznym blogu Nikon Watch.

Sensor aparatu jak ludzkie oko

Jak już wspominaliśmy wielokrotnie, rejestrowanie informacji o kolorze poprzez filtra-

cję składowych RGB ma zasadniczą wadę - mianowicie powoduje duże straty światła

docierającego bezpośrednio do powierzchni sensora. Z tego powodu firmy zajmujące

się wytwarzaniem matryc światłoczułych nieustannie poszukują rozwiązań, które mo-

głyby zastąpić klasyczny, tzw. bayerowski układ filtrów.

Kodak, po pięciu latach badań opracował nową metodę odczytu informacji o kolorze

(chrominancji) i luminancji ob

razu, która pozwoli za pomocą stosowanych dzisiaj

przetworników CCD i CMOS rejestrować obraz o rozpiętości tonalnej od 1 do 2 EV

wyższej niż pozwalał na to klasyczny filtr bayerowski (nota bene opracowany w labo-

ratoriach Kodaka).

Projekt filtra barwnego drugiej generacji (Color Filter Array 2.0) opiera się na założe-

niu, że oprócz rejestrowania natężenia trzech barw podstawowych, matryca będzie

r

ównież mierzyła natężenie światła nierozszczepionego (luminancję) dla każdego

punktu obrazu. Będzie to osiągane przez dodanie do układu trzech filtrów barwnych

punktów "czystych" (tzw. panchromatycznych), przepuszczających pełne spektrum

światła. Opracowane przez firmę Kodak algorytmy pozwolą na odczytanie z takich

punktów matrycy pełniejszych informacji o jasności obrazu niż jest w stanie dostar-

czyć światło przefiltrowane.

Różnica pomiędzy konstrukcją filtra stosowanego w matrycy bayerowskiej (z lewej) a

Color Filter Array 2.0 (z prawej).

Poprzez połączenie ze sobą danych o barwach składowych (chrominancji) z infor-

macjami o luminancji możliwe będzie odtworzenie obrazu o większej rozpiętości to-

nalnej i mniejszym zaszumieniu. Ta ostatnia cecha pozwoli z kolei zwiększyć czułość

ISO aparatów cyfrowych i rejestrować obraz o lepszej jakości przy słabym oświetle-

niu. Ceną za to jest konieczność opracowania bardziej złożonych algorytmów inter-

pretujących sygnał z przetwornika, a także zmniejszenie się rozdzielczości obrazu

zarejestrowanego przez matrycę – każdy piksel musi być bowiem składany nie z

czterech, lecz z szesnastu punktów składowych.

W zależności od budowy przetwornika obrazu oraz jego oprogramowania może zo-

stać wykorzystany jeden z kilku wzorów matrycy.

Inżynierowie z laboratoriów Kodaka przewidują, że w zależności od mocy oblicze-

niowej urządzenia, producenci sprzętu foto i wideo mogą zechcieć wykorzystać róż-

ne układy filtrów nowej generacji. Trzy zaprojektowane wzory pozwolą konstruować

matryce o wysokie

j precyzji obrazu, wymagające silnego procesora oraz takie, któ-

rych sygnał będzie znacznie łatwiejszy do przetworzenia na gotowy obraz. W każdym

z nich została zachowana stała proporcja pikseli: znana z matrycy bayerowskiej dwu-

krotnie większa liczba komórek zielonych aniżeli czerwonych i niebieskich oraz rów-

na sumie trzech pól barwnych liczba komórek nie filtrujących światła.

Nowa technolo

gia w większym stopniu niż wcześniejsze przypomina sposób reje-

strowania obrazu świata przez nasze oczy. Na nowej matrycy znajdują się bowiem

punkty rejestrujące światło o słabym natężeniu, za to nie rejestrujące kolorów – są to

odpowiedniki pręcików. Z kolei komórki z filtrami RGB odpowiadają działaniu czop-

ków, które pełnią w oku rolę receptorów barw (co ciekawe, wrażliwych na ten sam

zestaw barw składowych). Ponadto w ludzkim oku znajduje się znacznie więcej prę-

cików niż czopków, co odpowiada konstrukcji nowych filtrów Kodaka, w których punk-

ty "czyste" pokrywa

ją połowę powierzchni światłoczułej.

Oprócz różnic w rozmieszczeniu elementów światłoczułych i sposobie rejestrowania

informacji o barwie, ma

tryce stosowane w aparatach różnią się też budową samych

elementów światłoczułych. Dwie dominujące technologie to CCD i CMOS – ale to już

temat na osobny, ob

szerny artykuł.