Массив цветных фильтров

Основная статья: Матрица (фото)

Массив цветных фильтров, Мозаика цветных фильтров — часть светочувствительной матрицы, осуществляющая пространственное цветоделение изображения при помощи фотодатчиков — пикселей матрицы, расположенных за светофильтрами различного цвета. Каждый светочувствительный элемент накрыт одним светофильтром массива.

Таблица расположений цветных фильтров

схема	название	описание	размер элемента (пикселы)
	Фильтр Байера	Наиболее стандартный RGB фильтр. 1 синий, 1 красный, 2 зелёных	2×2
	RGBE	Один из зелёных фильтров заменён на изумрудный (англ. emerald). Применялся фирмой Sony в 8-мегапиксельной матрице ICX456 и в фотоаппарате Sony CyberShot DSC-F828.[1]	2×2
	CYYM	Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.[2]	2×2
	CYGM	Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в некоторых камерах Kodak.	2×2
	RGBW Байер	один из зелёных фильтров заменён на белый, в остальном аналогичен стандартному фильтру Байера. Незначительно выигрывает в светочувствительности и на примерно 1 ступень выигрывает в фотографической широте.	2×2
	RGBW #1	три примера RGBW фильтров Kodak, с 50 % белого. По сравнению с остальными, выигрывают в светочувствительности и фотографической широте и проигрывает в цветопередаче. Между собой отличаются необходимыми алгоритмами обработки и характером структурного шума (англ. pattern noise), создаваемого большим (по сравнению с традиционным фильтром Байера) пространственным периодом структуры фильтра.	4×4
	RGBW #2
	RGBW #3		2×4

Дебайеризация

Поскольку мозаичный фильтр для каждого пикселя выдаёт только 1/3 цветовой информации, для восстановления «потерянных» данных используют алгоритмы, осуществляющие т. н. дебайеризацию. Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму. Производители цифровых фотоаппаратов и RAW-конвертеров используют собственные адаптивные алгоритмы, как правило, объявляемые производителем ноу-хау. Впрочем, алгоритмы и настройки большинства RAW-конвертеров восходят к исходным текстам opensource-конвертера dcraw, о чём многие авторы программ-конвертеров (например, SilkyPix) честно упоминают в документации на программу.

Артефакты дебайеризации на примере женской причёски. Canon PowerShot A610 с использованием CHDK. Масштаб 1:1.
1. Цветные артефакты (SilkyPix Developer Studio).
2. Агрессивное применение белого цвета (внутрикамерная обработка).
3. Удачная дебайеризация (Adobe Camera RAW).

Antialiasing Filter

Несмотря на то, что сейчас размывающий фильтр используется с матрицами с мозаичными фильтрами практически во всех камерах, его наличие не является абсолютно необходимым. Фирма Kodak производила две камеры DCS Pro SLR/n и DCS Pro SLR/c^[3], в которых использовались матрицы без размывающего фильтра. Результатом этого был эффект цветного муара на мелких деталях^[4].

Строго говоря, смягчение артефактов этого типа не является необходимым и может быть скомпенсировано постобработкой конкретного изображения в соответствии с целями фотографа.

Однако развитие цифровых фотоаппаратов в сторону упрощения их использования, стремление получить конечный продукт — jpg файл, не увеличивая затрат на обработку, непосредственно в фотоаппарате, привели к решению о применении рассеивающего фильтра. Это стало компромиссным решением, ныне массово применяемым.^[5]

Развитие CFA

Фильтр Байера — исходно не только самый первый вариант расположения фильтров на матрице, но и наиболее простой в обработке вариант фильтра. Даже быстрая билинейная интерполяция даёт «конечный результат» в виде полноцветной RGB картинки.

В отличие от традиционного RGGB фильтра Байера, при иных цветах светофильтров получение RGB компонентов каждого пиксела требует более сложных алгоритмов, учитывающих в определённых пропорциях значения всех окружающих пикселов. Однако неидеальность цветопередачи и потеря 2/3 светового потока на фильтрах заставили разработчиков искать возможные изменения массива фильтров.

Улучшение цветопередачи

Желание увеличить точность цветопередачи зелёных цветов привела к разработке RGEB-фильтра, в котором половина зелёных ячеек заменена зелёно-голубыми («изумрудными», англ. emerald).

G	R
B	E

Снимки, сделанные с применением таких матриц, отличаются более плавными переходами голубых цветов и зелёной листвы. Применяется в некоторых камерах фирмой Sony.

Увеличение чувствительности

Также иногда применяются CYGM-фильтры:

C	Y
G	M

Данный фильтр интересен тем, что пропускает приблизительно 2/3 падающего света, задерживая 1/3. Тем самым достигается рост общей светочувствительности матрицы. Однако итоговое цветовое пространство оказывается хуже, чем при аддитивном RGB наборе фильтров.

Увеличение чувствительности и фотографической широты

Основная статья: RGBW

Фильтры RGBW в нормальных условиях панхроматического освещения дают бо́льшую светочувствительность, но худшую цветопередачу. На освещении, близком к монохроматическому, RGBW превосходит по всем параметрам сенсоры с RGGB-фильтрами за счёт большего числа пикселей, воспринимающих свет.

Сравнение с другими системами

Преимущества перед трёхматричными системами

Основная статья: 3CCD

• компактность;
• технологичность, возможность производства интегральной микросхемы со всей прилегающей к ней оптической частью (фильтр Байера, микролинзы, low-pass фильтр) как единого целого;
• отсутствие проблем cведения цветов и механической юстировки;
• возможность применения в зеркальных аппаратах;
• возможность применения объектива с малым задним вершинным расстоянием, тем самым существенно уменьшить габариты камеры и упростить оптическую схему при сохранении характеристик;

Преимущества перед многослойными сенсорами

Проблемы, присущие фильтрам Байера, было призвано решить новое поколение цифровых светочувствительных матриц — матрицы X3 компании Foveon, в которых каждый пиксель состоит из трёх слоев, каждый из которых воспринимает свой цвет. Однако цветопередача таких матриц существенно отличается в худшую сторону, при этом возможности её исправления ограничены свойствами кремния, в то время как цветные фильтры могут быть созданы с более высокой точностью спектральных кривых.

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 13 мая 2011.

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Сравнение с матрицами с внутрипиксельным цветоделением

Пока (2008 год) рано говорить о преимуществах матриц с дихроичными зеркалами внутри каждого пикселя, так как они не вышли из стадии прототипа. Однако очевидно, что матрицы с CFA будут иметь перед ними единственное преимущество — технологичность.

Недостатки систем с мозаикой цветных фильтров

• Необходимость восстанавливать часть цветовой информации приводит к потере пространственного разрешения в цветных деталях.
• Процедура восстановления порождает эффект цветного муара и цветные артефакты.
• Для снижения эффекта цветного муара применяется фильтр нижних частот(low-pass), дополнительно размывающий изображение до его попадания на матрицу. Это приводит к дополнительному снижению разрешающей способности системы в целом и снижению микроконтраста.
• Снижение резкости в алгоритме и на low pass фильтре делает необходимым применение алгоритмов повышения резкости.

Именно эти объективные недостатки, бывшие особенно заметными на ранних аппаратах с низким разрешением, недостаточно точно выбранной силой low-pass фильтра и достаточно слабым алгоритмами повышения резкости, обусловили распространённое устойчивое мнение о неустранимых недостатках цифровой фотографии по сравнению с плёночной, а также породили другие, менее очевидные легенды.

История, аналоги

Фильтр Байера и расположение световоспринимающих элементов в одной плоскости ведут своё происхождение от растрового способа цветной фотографии.

Однако, в отличие от пластинок «Автохром», растр на матрице имеет регулярную периодическую структуру. Это иногда приводит, при формально лучших параметрах оборудования, к субъективному мнению о «меньшей естественности» цифровой цветной картинки по сравнению с плёночными, так как в природе периодические структуры большая редкость по сравнению с хаотическими.

Программные библиотеки/утилиты восстановления исходного изображения из мозаики

• eLynx Image Processing SDK and Lab
• ImageJ
• LibRAW

См. также

• Методы цветной фотографии
• Цвет

Примечания

1. ↑ Phil Askey, Sony Cybershot DSC-F828 Review, DPReview.com, январь 2004.  (англ.)
2. ↑ О цветокоррекции разных CFA от Kodak (англ.)
3. ↑ Kodak DCS Pro SLR/c Review (англ.)
4. ↑ Пример муара при воспроизведении мелких деталей без AA фильтра (англ.)
5. ↑ Brian W. Keelan Handbook of Image Quality: Characterization and Prediction. — Marcel–Dekker, 2004. — P. 390. — ISBN 0824707702 (англ.)

• Soo-Wook Jang, Eun-Su Kim, Sung-Hak Lee, and Kyu-Ik Sohng Adaptive Colorimetric Characterization of Digital Camera with White Balance. — Springer, 2005. — Vol. 3656. — P. 712-719. — ISBN 978-3-540-29069-8