Сенсоры цифровых фотокамер

Известно, что в цифровых камерах для получения изображения используются светочувствительные матрицы, состоящие из миллионов мельчайших пикселов. Каждый из пикселов имеет ничем не покрытую «светосторону», собирающую и накапливающую фотоны в специальной ячейке. По завершении экспозиции камера разом закрывает все светостороны и пытается затем оценить число фотонов, упавших на каждую: относительное количество фотонов в каждой ячейке сортируется по различным уровням интенсивности. Шаг последних определяется т.н. тональным разрешением сенсора (от 0 до 255 для 8-битных изображений).

Ячейка сама по себе не может различать фотоны по длине их волны и поэтому матрица, показанная на рисунке выше, способна дать лишь серое полутоновое изображение. Для захвата полноцветных изображений каждую ячейку покрывают специальным фильтром, пропускающим лучи определенной части видимого спектра. Теоретически все сегодняшние цифровые камеры по каждой ячейке захватывают только один из трех т.н. первичных световых потоков, исключая при этом оставшиеся 2/3 падающего света. В итоге, камера ловит три первичных потока по каждому пикселу изображения.

Наиболее популярным типом матрицы фильтров является т.н. «байеровская матрица», показанная ниже:

Матрица цветных фильтров

Байеровская матрица состоит из чередующихся рядов красно-зеленых и зелено-синих фильтров. Отметим при этом, что зеленых фильтров вдвое больше, чем синих и красных. Так сделано специально, потому зрение человека чувствительнее к зеленым лучам, нежели к красным и синим. Избыток зеленых пикселов дает менее шумное и более детализированное изображение, чем то, какое получается, когда фильтров поровну. Этим объясняется и то, почему в зеленом канале шума меньше, чем в двух других.

Оригинальное изображение (показано с увеличением в 200%)	То, что видит ваша камера

Примечание: большинство цифровых камер построены на байеровской матрице, но не все. К примеру, сенсоры фирмы Foveon, использованные в камерах Sigma SD9 и SD10, захватывают все три первичных потока на каждый пиксел. Камеры Sony захватывают четыре потока аналогичной матрицей: красный, зеленый, синий и изумрудно-зеленый.

Дебайеризация – это процесс переноса байеровского массива информации о первичных трихроматических потоках на финальное изображение, содержащее полноцветную информацию по каждому пикселу. Как же это возможно, если камера неспособна к прямому захвату полноцветной информации? Один из путей – рассматривать 2х2 матрицу байеровых пикселов как единую цветовую ячейку.

—>

Принцип неплохо работает, однако большинство камер используют дополнительные шаги, позволяющие извлечь еще больший объем визуальной информации. Если, положим, некоей камере для захвата полноцветной информации нужно минимум 2х2 пиксела, то пространственное разрешение результирующих изображений окажется вдвое меньшим по вертикальному и горизонтальному направлениям. Но если камера способна обрабатывать данные с нескольких накладывающихся друг на друга 2х2-матриц, то можно добиться существенно большего разрешения при неизменном количестве байеровых пикселов. Ниже на рисунке показана возможная комбинация накладывающихся 2х2-матриц, позволяющая извлекать больший объем визуальных данных.

—>

Отметим, что при этом края матрицы остаются необработанными, поскольку мы полагаем изображение непрерывным по всем направлениям. Когда речь идет о фактических границах матрицы, вычисления оказываются не столь точны, потому что далее попросту нету пикселов. Однако особых проблем это обстоятельство не создает, поскольку все же пикселов миллионы и полезное изображение легко «вырезать» из общего массива сигналов.

Существуют алгоритмы, позволяющие извлекать информацию с еще большим пространственным разрешением и меньшим шумом.

Изображения, несущие мелкие детали, размер которых близок к пределу пространственного разрешения цифрового сенсора, иногда при дебайеризации дают сбои. Наиболее частый артефакт – т.н. муар, который может возникать в виде регулярных образований, хроматических аберраций или паразитных массивов пикселов:

Выше даны два варианта одной фотографии, но с разным увеличением. Отметим наличие муара на всех четырех нижних квадратах, а на третьем квадрате мы видим как яркостные, так и хроматические артефакты. Наличие и характер артефактов зависят как от типа текстуры, так и от программного обеспечения, выполнявшего конверсию RAW-данных.

Вы, наверное, несколько удивлены тем, что на первом рисунке сенсорные ячейки не соприкасаются друг с другом. Дело в том, что в фактических сенсорах светочувствительные ячейки не покрывают всю поверхность этого сенсора, занимая на самом деле примерно половину пространства, а оставшаяся его часть отводится под прочую электронику. Действительно – мы видим, что каждая ячейка отделена от другой некоторым небольшим выступом, направляющим фотоны то в одну ячейку, то в другую. То есть, у матриц цифровых камер имеются специальные «микролинзы», повышающие светосборную способность сенсора. Эти линзы аналогичны водосточным желобам, направляющим фотон именно в ячейку и не дающим ему потеряться в пространстве.

Удачно сконструированные микролинзы эффективно усиливают фотонный сигнал по каждой ячейке и благодаря этому матрица, при той же экспозиции, дает изображение гораздо меньшей зашумленности. Производители фотокамер совершенствуют устройство микролинз с целью понижения или управления шумом, несмотря на то, что размер ячеек в камерах с каждым годом все меньше, а плотность их залегания в матрицах – все выше.

По материалам www.cambridgeincolour.com

Оригинал статьи

Перевод Алексея Шадрина