Kodak поправляет Байера
В середине июня компания Kodak официально представила новую технологию создания светочувствительных сенсоров для компактных цифровых фотоаппаратов. По словам представителей компании, на этот раз речь идет не о косметической ревизии, а о действительно революционном прорыве, который позволит значительно улучшить качество получаемых изображений.
Прежде чем перейти к рассказу о новинке, сделаем небольшое техническое отступление, чтобы в общих чертах напомнить читателям, как «видит» изображение цифровая камера. Для преобразования прошедшего через оптическую систему света в аналоговый электрический сигнал (который, в свою очередь, переводится в цифровой код) используется специальный полупроводниковый прибор — светочувствительный сенсор. В подавляющем большинстве современных цифровых фотоаппаратов применяются светочувствительные сенсоры, ячейки которых чувствительны лишь к яркости падающего на них света. Чтобы камера, оснащенная таким сенсором, могла фиксировать цветное изображение, перед каждой из ячеек сенсора устанавливается микроскопический светофильтр, пропускающий свет лишь одного из базовых цветов аддитивной модели — красного, синего или зеленого.
Таким образом, каждая из ячеек такого сенсора позволяет фиксировать яркость лишь по одному из трех цветовых каналов. А следовательно, запечатленный сенсором камеры и преобразованный в цифровой вид образ кадра представляет собой монохромное изображение: каждый его пиксел имеет лишь одну координату. Чтобы получить из такого «полуфабриката» цветную фотографию, необходимо выполнить специальную процедуру преобразования (она называется demosaic — к сожалению, в русском языке точного аналога этого англоязычного термина пока нет). При помощи довольно сложных алгоритмов интерполяции величин яркости соседних пикселов процессор камеры (или ПК в случае использования программного RAW-конвертора) рассчитывает значения координат двух недостающих цветовых каналов для каждого пиксела изображения. И только после этого фотография становится цветной.
А теперь вернемся к светофильтрам, поскольку именно эти элементы (а точнее, принцип их расположения) оказались в центре внимания разработчиков Kodak. В сенсорах большинства современных фотоаппаратов светофильтры располагаются по схеме, разработанной в 1976 году ученым Брайсом Байером (кстати, работавшим в то время в компании Kodak). Данная структура включает светофильтры трех типов (пропускающие красную, синюю либо зеленую составляющую), расположенные группами по четыре: один «синий», один «красный» и два «зеленых» (рис. 1). Удвоенное количество «зеленых» пикселов в байеровской схеме обусловлено особенностями зрительного восприятия человека — дело в том, что наши глаза наиболее чувствительны к оттенкам именно этой части видимого спектра.
Рис. 1. Байеровская схема расположения
светофильтров на ячейках
светочувствительного сенсора
Важным новшеством схемы, предложенной разработчиками Kodak, является использование ячеек без светофильтров (так называемых панхроматических пикселов) наряду с ячейками традиционного типа. Количество панхроматических пикселов составляет половину от общего числа ячеек сенсора, в то время как остальные снабжены светофильтрами. Соотношение количества «цветных» пикселов такое же, как и у схемы Байера, — две части «зеленых» и по одной части «синих» и «красных». На рис. 2 показано несколько различных схем расположения светофильтров в сенсорах новой конструкции, разработанных инженерами Kodak.
Рис. 2. Различные варианты расположения светофильтров для
светочувствительных сенсоров
с панхроматическими ячейками,
разработанные
инженерами Kodak
В сенсорах с байеровской схемой расположения светофильтров каждая из ячеек используется для получения информации как о светотеневом рисунке изображения, так и о цвете. В схеме, предложенной разработчиками Kodak, эти задачи распределены между двумя типами пикселов: ячейки, снабженные светофильтрами, используются для получения информации о цвете, в то время как панхроматические ячейки задействованы для формирования хроматического (яркостного) канала. Каковы же преимущества сенсора с панхроматическими пикселами?
Одним из основных достоинств такой конструкции является значительное увеличение количества света, поглощаемого ячейками сенсора. Например, в случае нейтрально-серых оттенков количество света, поглощенное панхроматической ячейкой за единицу времени, будет как минимум втрое больше по сравнению с любой из «цветных» ячеек, оснащенных светофильтрами. Соответственно увеличивается и чувствительность сенсора — это позволит получать снимки при меньшей (по сравнению с аналогичным прибором с байеровской схемой расположения светофильтров) величине экспозиции. Иными словами, фотограф получает возможность при той же освещенности устанавливать более короткую выдержку и/или больше закрыть диафрагму без риска получить изображение худшего качества. При прочих равных условиях новая конструкция сенсора обеспечит значительно более низкий уровень цифрового шума на изображении при съемке в условиях недостаточной освещенности (рис. 3). По данным разработчиков Kodak, светочувствительность сенсоров с панхроматическими ячейками будет в 2-4 раза больше по сравнению приборами традиционной конструкции, имеющими аналогичные размеры и разрешение. А это, в свою очередь, позволит уменьшить величину экспозиции на одну-две ступени.
Рис. 3. Использование сенсора с панхроматическими ячейками позволяет значительно
снизить уровень цифрового шума на изображении. Оба снимка сделаны с одинаковыми
выдержкой (1/10 с)
и настройкой чувствительности (экв. 1000 ISO).
Верхняя фотография получена при помощи сенсора с байеровской схемой
расположения светофильтров, нижняя сделана аналогичным по размерам
и электрическим характеристикам сенсором с панхроматическими ячейками (фото Kodak)
Еще одним важным преимуществом сенсоров с панхроматическими ячейками является возможность получать при прочих равных условиях более четкое и контрастное изображение. Ведь не секрет, что именно в хроматическом канале содержится наибольшее количество информации о деталях изображения (рис. 4). Можно также с большой степенью вероятности предположить, что дополнительная информация о светотеневом рисунке изображения, фиксируемая панхроматическими пикселами, наконец-то позволит реализовать эффективные алгоритмы подавления хроматических аберраций, которые в настоящее время являются привычным недостатком фотографий, сделанных компактными цифровыми фотоаппаратами с мощными зум-объективами.
Рис. 4. В хроматическом канале (в центре) содержится гораздо больше
информации о деталях изображения, чем в цветовых (справа)
Разумеется, для новых сенсоров понадобятся принципиально иные технологии обработки изображений. По имеющейся информации, в активе Kodak уже есть готовые алгоритмы воссоздания цветного изображения (demosaic), предназначенные для камер, оснащенных сенсорами с панхроматическими пикселами.
Естественно, многих интересует, когда же можно ожидать появления цифровых фотоаппаратов с сенсорами новой конструкции. К сожалению, четкого ответа на этот вопрос пока нет. В настоящее время представители Kodak ведут переговоры с несколькими компаниями из числа ведущих производителей цифровых фотоаппаратов относительно возможности внедрения сенсоров новой конструкции в серийно выпускаемых устройствах. Также известно, что запуск производства первой партии светочувствительных сенсоров новой конструкции запланирован на I квартал 2008 года.
 |
|
