Blooming – kiedy matryca aparatu "nie daje rady"

Autor: Marcin Pawlak

Pomimo ogromnego zaawansowania współczesnej technologii i ogromnych pieniędzy wydawanych na jej doskonalenie, wciąż zdarzają się obszary, gdzie nowoczesne rozwiązania ustępują pola tradycyjnym, analogowym. Należy do nich odporność na ekstremalne, punktowe prześwietlenie.

Chociaż wiemy, że należy unikać wykonywania zdjęć pod słońce, każdemu prędzej czy później zdarzy się zrobić takie ujęcie. Jakież będzie nasze zdziwienie, gdy zamiast tarczy słonecznej bądź silnie prześwietlonego fragmentu zdjęcia ujrzymy coś, co raczej wygląda jak… eksplozja w atmosferze. Nie ma obaw – nie sfotografowaliśmy zakończonego niepowodzeniem startu wahadłowca lub lądowania Obcych na Ziemi – w ten sposób objawia się jedna z niedoskonałości matryc światłoczułych stosowanych w aparatach cyfrowych. Efekt ten nie doczekał się jeszcze polskiego określenia, dlatego powszechnie stosuje się nazwę anglojęzyczną – blooming.

Pomimo niedoświetlenia zdjęcia o 1EV o czasu ekspozycji wynoszącego zaledwie 1/8000 s, światło Słońca zerkającego zza chmur okazało się zbyt silne jak na możliwości przetwornika Nikona D70 – wystający ponizej Słońca biały ''jęzor'' to właśnie artefakt będący efektem bloomingu.

Matryca aparatu składa się z milionów komórek – fotodiod, które w trakcie ekspozycji zdjęcia przechwytują fotony i zamieniają je na ładunek elektryczny. Gdy gromadzony ładunek osiągnie pewien graniczny poziom, jest to interpretowane jako barwa biała. Co jednak będzie się działo, gdy w dalszym ciągu do fotoceli docierać będą kolejne fotony? Pojedyncza komórka matrycy ma określoną pojemność, po przekroczeniu której zgromadzony ładunek zaczyna się "przelewać" do sąsiednich punktów sensora. Ponieważ również w celach-sąsiadach zgromadzony ładunek zwykle bliski jest maksymalnemu (źródeł światła zdolnych oświetlić tylko jeden punkt przetwornika jest bardzio niewiele), dodatkowa porcja elektronów powoduje kolejne przepełnienie… Taka reakcja łańcuchowa trwać będzie do momentu, gdy kolejna komórka zarejestruje na tyle niewiele światła, że "pożyczony" ładunek nie spowoduje jej przepełnienia.

Sensory CCD, ze względu na swa budowę, nadają artefaktom bloomingu charakterystyczny, wydłużony kształt. W skrajnych przypadkach, jak przedstawiony powyżej, wypalony obszar może obejmować całą wysokość kadru.

Ze względu na budowę, zjawisko bloomingu silniej uwidacznia się na zdjęciach wykonanych przy pomocy matryc CCD, niż ma to miejsce w wypadku sensorów CMOS. Te pierwsze konstruowane są tak, by umożliwić "przepychania" ładunków pomiędzy komórkami w pionie lub w poziomie – jest to niezbędne do odczytu ich zawartości (a więc natężenia zarejestrowanego światła). Z tego powodu sensory CCD są zwykle bardziej wrażliwe na "przeciekanie" wzdłuż jednego z boków kadru, co powoduje, że "wypalona" plama ma spłaszczony, podłużny kształt, kojarzący się z filmowymi eksplozjami w kosmosie.

Blooming to nie aberracja chromatyczna
Ponieważ na granicy artefaków spowodowanych bloomingiem zwykle pojawiają się przebarwienia, często są one mylone z efektami aberracji chromatycznej. Tak naprawdę nie mają jednak nic wspólnego – są one efektem działania algorytmów interpolacyjnych, niezbędny przy tworzeniu barwnego obrazu na podstawie informacji pochodzących z matrycy bayerowskiej. Jeśli dobrze się przyjrzeć, łatwo jest dostrzec różnicę – przebarwienia będące skutkiem aberracji chromatycznej mają charakter otoczki o płynnym natężeniu, zmniejszającym się w miarę oddalania się od kontrastowej krawędzi na zdjęciu, podczas gdy pozostałości bloomingu to jednopikselowe, bardzo wyraźne barwne obwódki. Na dłuższych krańcach artefaktów bloomingu często pojawiają się też charakterystyczne wzory, mające postać grzebienia lub szachownicy.

Na granicach artefaktów bloomingu zwykle pojawiają się barwne otoczki. Chociaż często mylone są z aberracją chromatyczną, nie mają z nią nic wspólnego – są efektem działania algorytmów interpolacji (fragment zdjęcia powiększony do skali 1:1).

Obszary artefaktów będących efektem bloomingu są niestety całkowicie pozbawione jakiejkolwiek użytecznej informacji o obrazie. Oznacza to, że żadne korekty rozpiętości tonalnej za pomocą histogramu czy krzywej gamma nie spowodują ich zniknięcia. Co ważne, dotyczy to również zdjęć zapisanych w plikach RAW. O ile w ich wypadku "zwykłe" wypalenia da się często odratować za pomocą umiejętnej obróbki RAW-ów, o tyle w wypadku efektów bloomingu nic to nie da.

 

Ze względu na odmienną zasadę działania tradycyjnych, analogowych aparatów fotograficznych (a w zasadzie materiałów światłoczułych), efekt bloomingu nie jest widoczny na zdjęciach nimi wykonywanych. Emulsja światłoczuła jest znacznie bardziej "wyrozumiała" dla prześwietleń, i granice pomiędzy obszarem "wypalonym" a zawierającym użyteczną informację o obrazie są zawsze płynne. Pod tym (i nie tylko) względem tradycyjne, analogowe materiały światłoczułe wciąż mają przewagę nad matrycami stosowanymi w fotografii cyfrowej.

 

Oczywiście producenci matryc zdają sobie sprawę z ich niedoskonałości, i starają się zapobiegać występowaniu zjawiska bloomingu. W tym celu wbudowują w matryce specjalne zabezpieczenia, mające powstrzymywać "przeciekanie" nadmiarowych ładunków. Mają one jednak zasadniczą wadę: zmniejszają efektywną powierzchnię fotocel sensora o jakieś 30%, co skutkuje spadkiem jej czułości, lub wzrostem szumów wskutek silniejszego wzmocnienia sygnału. Inną metodą uniknięcia bloomingu jest wykonanie szeregu krótkich, następujących bezpośrednio po sobie ekspozycji zamiast jednej długiej, i połączenie ich w jedno ujęcie. W ten prosty sposób, zmniejszając ilość światła rejestrowanego jednorazowo przez fotocele matrycy, unikamy ich przepełnienia.