Новости

Сенсори цифрових камер

  1. Дебайерізація
  2. дефекти дематрізаціі
  3. матриця мікролінз

У цифрових камерах для отримання зображення використовується сенсорна матриця з мільйонів мініатюрних осередків-пікселів. Коли ви натискаєте кнопку спуску на своїй камері, і починається експозиція, кожен з цих пікселів є «фототермос», який відкривається, щоб зібрати і зберегти фотони в своїй ємності. По завершенні експозиції камера закриває все фототермоси і намагається визначити, скільки фотонів потрапило в кожен. Відносна кількість фотонів в кожної ємності далі перетворюється в різні рівні інтенсивності, точність яких визначається розрядністю (Від 0 до 255 для 8-бітного зображення).

У ємності не міститься інформації про те, скільки кожного кольору потрапило в неї, так що вищеописаним способом можна було б отримати тільки чорно-білі зображення. Щоб отримати кольорові зображення, поверх кожної ємності поміщають фільтр, який пропускає тільки певний колір. Практично всі сучасні цифрові камери можуть захопити в кожну з ємностей тільки один з трьох первинних квітів і таким чином втрачають приблизно 2/3 вхідного світла. В результаті камері доводиться складати інші кольори, щоб мати інформацію про всі кольорах в кожному пікселі. Найбільш відомий матричний цветофільтров, який називається «фільтр Байєра», показаний нижче.

Матриця Байера складається з чергуються рядів червоно-зелених і зелено-синіх фільтрів. Зверніть увагу, що в матриці Байєра міститься удвічі більше зелених сенсорів, ніж синіх або червоних. Дисбаланс первинних квітів викликаний тим, що людське око більш чутливий до зеленого кольору, ніж до червоного і синього разом узятим. Надмірність по зеленим пікселям дає зображення, яке здається менш шумним і більш чітким, ніж здавалося б при рівній кількості квітів. Це пояснює також, чому шум в зеленому каналі набагато менше, ніж в інших (приклад див. У статті « Що таке візуальний шум »).

Примітка: в повному обсязі цифрові камери використовують матрицю Байєра, але це найбільш поширений варіант. Сенсор Foveon, який використовується в камерах Sigma SD9 і SD10, реєструє всі три кольори в кожному пікселі. Камери Sony знімають чотири кольори в схожому масиві: червоний, зелений, синій і смарагдово-зелений.

Дебайерізація

Дебайерізація - це процес трансляції матриці первинних квітів Байєра в підсумкове зображення, в якому міститься повна інформація про колір в кожному пікселі. Як це можливо, якщо камера не в змозі безпосередньо виміряти повний колір? Один із способів зрозуміти цей процес - це розглядати кожен масив 2x2 з червоною, двох зелених і синьою осередки як одну повнокольоровий осередок.

В цілому цього достатньо, але більшість камер вживають додаткових заходів, щоб отримати з цієї матриці ще більше інформації про зображення. Якби камера розглядала кожен з масивів 2x2 як одну точку, її дозвіл впало б удвічі і по горизонталі, і по вертикалі (тобто, вчетверо). З іншого боку, якби камера вважала кольору, використовуючи кілька перекриваються масивів 2x2, вона могла б отримати більш високий дозвіл, ніж це можливо для одиничних масивів 2x2. Для збільшення кількості інформації про зображення можна використовувати наступну комбінацію з перекриваються масивів 2x2.

Зверніть увагу, що ми не розраховували інформацію про зображення на кордонах матриці, оскільки припустили, що зображення має продовження в кожну зі сторін. Якби це дійсно були кордону матриці, розрахунки виявилися б менш точні, оскільки тут немає більше пікселів. Це не є проблемою, оскільки для камер з мільйонами пікселів гранична інформація може бути сміливо відкинута.

Існують і інші алгоритми розбору матриць, які можуть отримати дещо більший дозвіл, збирають менш гучні зображення або адаптивно реагують на різні ділянки зображення.

дефекти дематрізаціі

Зображення з дрібними деталями на межі роздільної здатності цифрового сенсора можуть часом збивати з пантелику алгоритм розбору матриці, приводячи до неприродно виглядають результатами. Найбільш відомий дефект - це муар, який може проявлятися як повторювані текстури, дефекти кольору або утворені з пікселів сюрреалістичні лабіринти:



Вище показані два знімки з різними рівнями збільшення. Зверніть увагу на появу муару в усіх чотирьох нижніх квадратах, а також на третій квадрат першого знімка (погано помітний). У зменшеної версії в третьому квадраті можна спостерігати як лабіринти, так і дефекти кольору. Такі дефекти залежать як від типу текстури, так і від програмного забезпечення, яке виробляє вихідний (RAW) файл цифрової камери .

матриця мікролінз

Вас може зацікавити, чому на першій діаграмі в цьому розділі ємкості не були розташовані безпосередньо поруч один з одним. У сенсорів в камерах в дійсності немає повного перекриття поверхні. Насправді найчастіше під пікселі відведено не більше половини загальної площі сенсора, оскільки потрібно десь розмістити іншу електроніку. Для кожної ємності існують напрямні, які відправляють фотони в ту чи іншу осередок. У цифрових камерах застосовуються «мікролінзи» поверх кожної групи пікселів, щоб підвищити їх здатність збирати світло. Ці лінзи подібно воронок збирають фотони, які могли інакше залишитися невикористаними.

Добре сконструйовані мікролінзи можуть поліпшити збір фотонів кожною клітинкою і, отже, створити зображення, в яких міститься менше шумів при однаковому часу експозиції (витримки). Виробники камер виявилися здатні використовувати удосконалення у виробництві мікролінз, щоб знизити або зберегти рівень шуму в новітніх камерах з високою роздільною здатністю, не дивлячись на скорочення розмірів осередку в зв'язку з упаковкою більшого числа мегапікселів в той же розмір сенсора.

За додатковою інформацією про сенсорах цифрових камер зверніться до глави:
Розміри сенсорів цифрових камер: як вони впливають на фотографію?

Як це можливо, якщо камера не в змозі безпосередньо виміряти повний колір?