ДАТЧИКИ ЦИФРОВОЙ КАМЕРЫ

В цифровой камере для записи изображения используется массив из миллионов крошечных световых полостей или «фотосайтов». Когда вы нажимаете кнопку спуска затвора камеры и начинается экспозиция, каждый из них открывается, собирая фотоны и сохраняя их в виде электрического сигнала. После завершения экспонирования камера закрывает каждый из этих фотосайтов, а затем пытается оценить, сколько фотонов попало в каждую полость, измеряя силу электрического сигнала. Затем сигналы квантифицируются как цифровые значения с точностью, определяемой битовой глубиной. Результирующая точность может быть снова уменьшена в зависимости от формата записываемого файла (0–255 для 8-битного файла JPEG).

Резонаторный массив Светлые полости

Однако приведенная выше иллюстрация будет создавать только изображения в градациях серого, поскольку эти полости не могут различить, сколько в них каждого цвета. Для захвата цветных изображений над каждой полостью должен быть помещен фильтр, пропускающий только определенные цвета света. Практически все современные цифровые камеры могут улавливать только один из трех основных цветов в каждой полости, поэтому они отбрасывают примерно 2/3 входящего света. В результате камера должна аппроксимировать два других основных цвета, чтобы иметь полный цвет для каждого пикселя. Наиболее распространенный тип массива цветовых фильтров называется «массивом Байера», как показано ниже.

Массив цветных фильтров Фотосайты с цветными фильтрами

Массив Байера состоит из чередующихся рядов красно-зеленых и зелено-синих фильтров. Обратите внимание, что массив Байера содержит в два раза больше зеленых, чем красных или синих датчиков. Каждый основной цвет не получает равную долю общей площади, потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому свету, чем к красному и синему. Избыточность с зелеными пикселями создает изображение, которое кажется менее шумным и имеет более мелкие детали, чем можно было бы получить, если бы все цвета обрабатывались одинаково. Это также объясняет, почему шум в зеленом канале намного меньше, чем для двух других основных цветов (см., например, «Понимание шума изображения»).

Исходная сцена
(показана в масштабе 200%) Что видит ваша камера
(через массив Байера)

Примечание. Не все цифровые камеры используют массив Байера, однако это наиболее распространенная установка. Например, датчик Foveon улавливает все три цвета в каждом пикселе, в то время как другие датчики могут улавливать четыре цвета в аналогичном массиве:красный, зеленый, синий и изумрудно-зеленый.

ДЕМОЗАИЧНОСТЬ BAYER

«Демозаика» Байера — это процесс преобразования этого массива основных цветов Байера в конечное изображение, которое содержит полную информацию о цвете в каждом пикселе. Как это возможно, если камера не может напрямую измерить полный цвет? Один из способов понять это — вместо этого думать о каждом массиве 2x2 красного, зеленого и синего как о единой полноцветной полости.

→

Это будет работать нормально, однако большинство камер предпринимают дополнительные шаги, чтобы извлечь еще больше информации об изображении из этого цветового массива. Если бы камера воспринимала все цвета в каждом массиве 2x2 как попавшие в одно и то же место, то она смогла бы достичь только половины разрешения как по горизонтали, так и по вертикали. С другой стороны, если камера вычисляет цвет, используя несколько перекрывающихся массивов 2x2, она может достичь более высокого разрешения, чем это было бы возможно с одним набором массивов 2x2. Следующая комбинация перекрывающихся массивов 2x2 может использоваться для извлечения дополнительной информации об изображении.

→

Обратите внимание, что мы не вычисляли информацию об изображении на самых краях массива, поскольку предполагали, что изображение продолжается в каждом направлении. Если бы это были на самом деле края массива резонаторов, то расчеты здесь были бы менее точными, так как пикселей со всех сторон уже нет. Однако обычно этим можно пренебречь, поскольку информация на самых краях изображения может быть легко обрезана для камер с миллионами пикселей.

Существуют и другие алгоритмы демозаики, которые могут извлекать немного большее разрешение, создавать изображения с меньшим уровнем шума или адаптироваться для наилучшего приближения к изображению в каждом месте.

ДЕМОЗАИЧНОСТЬ АРТЕФАКТОВ

Изображения с мелкими деталями, близкими к пределу разрешения цифрового датчика, иногда могут обманывать алгоритм демозаики, создавая нереалистичный результат. Наиболее распространенным артефактом является муар (произносится как «море-ай»), который может проявляться в виде повторяющихся узоров, цветовых артефактов или пикселей, расположенных в виде нереалистичного лабиринтного узора:

Второе фото размером ↓ 65 % от указанного выше размера

Выше показаны две отдельные фотографии — каждая с разным увеличением. Обратите внимание на появление муара во всех четырех нижних квадратах, в дополнение к третьему квадрату первой фотографии (незначительный). В третьем квадрате уменьшенной версии можно увидеть как лабиринтные, так и цветовые артефакты. Эти артефакты зависят как от типа текстуры, так и от программного обеспечения, используемого для обработки файла RAW цифровой камеры.

Однако даже при наличии теоретически идеального сенсора, способного улавливать и различать все цвета на каждом фотосайте, все равно мог появиться муар и другие артефакты. Это неизбежное последствие любой системы, которая дискретизирует непрерывный сигнал с дискретными интервалами или местами. По этой причине практически каждый цифровой фотосенсор включает так называемый оптический фильтр нижних частот (OLPF) или фильтр сглаживания (AA). Обычно это тонкий слой непосредственно перед датчиком, который эффективно размывает любые потенциально проблемные детали, которые меньше, чем разрешение датчика.

МИКРОЛИНЗЫ

Вы можете удивиться, почему на первой диаграмме в этом уроке каждая полость не размещена непосредственно рядом друг с другом. Сенсоры реальных камер на самом деле не имеют фотосайтов, которые покрывают всю поверхность сенсора. На самом деле, они могут занимать только половину общей площади для размещения другой электроники. Каждая полость показана с небольшими пиками между ними, чтобы направлять фотоны в ту или иную полость. Цифровые камеры содержат «микролинзы» над каждым фотосайтом для улучшения их способности собирать свет. Эти линзы аналогичны воронкам, которые направляют фотоны в фотосайт, где в противном случае фотоны не использовались бы.

Хорошо спроектированные микролинзы могут улучшить фотонный сигнал на каждом фотосайте и впоследствии создавать изображения с меньшим шумом при том же времени экспозиции. Производители камер смогли использовать улучшения в конструкции микролинз для уменьшения или поддержания уровня шума в новейших камерах с высоким разрешением, несмотря на меньшие фотообъекты, благодаря тому, что в той же области сенсора помещается больше мегапикселей.

Дополнительную информацию о датчиках цифровых камер см. на странице
Размеры датчиков цифровых камер:как они влияют на фотографию?