SENZORJI DIGITALNE KAMERE

Digitalni fotoaparat za snemanje slike uporablja niz milijonov drobnih svetlobnih votlin ali "foto mest". Ko pritisnete sprožilec fotoaparata in se osvetlitev začne, se vsaka od teh odkrije, da zbere fotone in jih shrani kot električni signal. Ko je osvetlitev končana, kamera zapre vsako od teh foto mest in nato poskuša oceniti, koliko fotonov je padlo v vsako votlino z merjenjem moči električnega signala. Signali so nato kvantificirani kot digitalne vrednosti z natančnostjo, ki je določena z bitno globino. Natančnost, ki izhaja iz tega, se lahko nato spet zmanjša, odvisno od tega, kateri format datoteke se snema (0–255 za 8-bitno datoteko JPEG).

Matrika votlin Svetlobne votline

Vendar bi zgornja ilustracija ustvarila samo sivine, saj te votline ne morejo razlikovati, koliko posamezne barve imajo. Za zajemanje barvnih slik je treba čez vsako votlino namestiti filter, ki prepušča le določene barve svetlobe. Skoraj vsi trenutni digitalni fotoaparati lahko zajamejo le eno od treh osnovnih barv v vsaki votlini, zato zavržejo približno 2/3 vhodne svetlobe. Posledično mora fotoaparat približati drugi dve primarni barvi, da ima vsaka slikovna pika polno barvo. Najpogostejši tip niza barvnih filtrov se imenuje "Bayerjev niz", prikazan spodaj.

Matrika barvnih filtrov Fotografska mesta z barvnimi filtri

Bayerjev niz je sestavljen iz izmeničnih vrst rdeče-zelenih in zeleno-modrih filtrov. Opazite, kako Bayerjev niz vsebuje dvakrat več zelenih kot rdečih ali modrih senzorjev. Vsaka primarna barva ne prejme enakega deleža celotne površine, ker je človeško oko bolj občutljivo na zeleno svetlobo kot rdeča in modra svetloba. Redundanca z zelenimi slikovnimi pikami ustvari sliko, ki je videti manj šumna in ima natančnejše podrobnosti, kot bi jih lahko dosegli, če bi bile vse barve obravnavane enako. To tudi pojasnjuje, zakaj je šum v zelenem kanalu veliko manjši kot pri drugih dveh primarnih barvah (za primer glejte "Razumevanje šuma slike").

Izvirni prizor
(prikazano 200 %) Kaj vidi vaša kamera
(skozi Bayerjev niz)

Opomba:vsi digitalni fotoaparati ne uporabljajo Bayerjevega niza, vendar je to daleč najpogostejša nastavitev. Senzor Foveon na primer zajame vse tri barve na vsaki lokaciji slikovne pike, medtem ko lahko drugi senzorji zajamejo štiri barve v podobnem nizu:rdečo, zeleno, modro in smaragdno zeleno.

BAYER DEMOSAICING

Bayerjevo »demosaicing« je postopek prevajanja tega Bayerjevega niza primarnih barv v končno sliko, ki vsebuje informacije o vseh barvah v vsaki piksli. Kako je to mogoče, če fotoaparat ne more neposredno izmeriti celotne barve? Eden od načinov za razumevanje tega je, da namesto tega vsak niz rdeče, zelene in modre barve 2x2 predstavljamo kot eno samo barvno votlino.

→

To bi delovalo v redu, vendar večina kamer naredi dodatne korake, da iz tega barvnega niza izvleče še več slikovnih informacij. Če bi kamera obravnavala vse barve v vsakem nizu 2x2, kot da so pristale na istem mestu, bi lahko dosegla le polovično ločljivost v vodoravni in navpični smeri. Po drugi strani pa bi lahko kamera, če bi barvo izračunala z uporabo več prekrivajočih se nizov 2x2, dosegla višjo ločljivost, kot bi bila mogoča z enim nizom nizov 2x2. Naslednjo kombinacijo prekrivajočih se nizov 2x2 bi lahko uporabili za pridobivanje več informacij o sliki.

→

Upoštevajte, da nismo izračunali informacij o sliki na samih robovih niza, saj smo domnevali, da se slika nadaljuje v vsako smer. Če bi bili to dejansko robovi niza votlin, bi bili tukaj izračuni manj natančni, saj na vseh straneh ni več slikovnih pik. To pa je običajno zanemarljivo, saj se informacije na samih robovih slike zlahka obrežejo pri kamerah z milijoni slikovnih pik.

Obstajajo tudi drugi algoritmi za demosaicing, ki lahko pridobijo nekoliko večjo ločljivost, ustvarijo slike z manj šuma ali se prilagodijo, da se najbolje približajo sliki na vsaki lokaciji.

DEMOZAICIRANJE ARTEFAKTOV

Slike z majhnimi podrobnostmi blizu meje ločljivosti digitalnega senzorja lahko včasih pretentajo algoritem demosaicing – kar povzroči nerealističen rezultat. Najpogostejši artefakt je moiré (izgovarja se "more-ay"), ki je lahko videti kot ponavljajoči se vzorci, barvni artefakti ali slikovne pike, razporejene v nerealističnem vzorcu, podobnem labirintu:

Druga fotografija pri ↓ 65 % zgornje velikosti

Zgoraj sta prikazani dve ločeni fotografiji – vsaka z drugačno povečavo. Upoštevajte videz moiréja v vseh štirih spodnjih kvadratih, poleg tretjega kvadrata prve fotografije (slabo). Tako labirintu kot barvne artefakte je mogoče videti v tretjem kvadratu pomanjšane različice. Ti artefakti so odvisni od vrste teksture in programske opreme, uporabljene za razvoj datoteke RAW digitalnega fotoaparata.

Toda tudi s teoretično popolnim senzorjem, ki bi lahko zajel in razločil vse barve na vsakem mestu fotografije, bi se moiré in drugi artefakti še vedno lahko pojavili. To je neizogibna posledica katerega koli sistema, ki sicer neprekinjen signal vzorči v diskretnih intervalih ali lokacijah. Iz tega razloga skoraj vsak fotografski digitalni senzor vključuje nekaj, kar imenujemo optični nizkoprepustni filter (OLPF) ali filter proti zvijanju (AA). To je običajno tanek sloj neposredno pred senzorjem in deluje tako, da učinkovito zamegli morebitne problematične podrobnosti, ki so manjše od ločljivosti senzorja.

NIZI MIKROLEČ

Morda se sprašujete, zakaj prvi diagram v tej vadnici ni postavil vsake votline neposredno eno zraven druge. Senzorji kamere v resničnem svetu dejansko nimajo foto mest, ki pokrivajo celotno površino senzorja. Pravzaprav lahko pokrijejo le polovico celotne površine, da lahko sprejmejo drugo elektroniko. Vsaka votlina je prikazana z majhnimi vrhovi med njimi, ki usmerjajo fotone v eno ali drugo votlino. Digitalni fotoaparati vsebujejo "mikroleče" nad vsako fotografijo, da povečajo svojo sposobnost zbiranja svetlobe. Te leče so analogne lijakom, ki usmerjajo fotone v fotomesto, kjer bi bili fotoni sicer neuporabljeni.

Dobro zasnovane mikroleče lahko izboljšajo fotonski signal na vsakem mestu fotografije in posledično ustvarijo slike z manj šuma za enak čas osvetlitve. Proizvajalci fotoaparatov so lahko uporabili izboljšave v zasnovi mikroleč za zmanjšanje ali vzdrževanje hrupa v najnovejših fotoaparatih z visoko ločljivostjo, čeprav imajo manjša mesta za fotografije, zaradi stiskanja več milijonov slikovnih pik v isto območje tipala.

Za nadaljnje branje o senzorjih digitalnih fotoaparatov obiščite:
Velikosti senzorjev digitalnih fotoaparatov:kako vplivajo na fotografijo?