Цветные фильтры

Кремниевые детекторы света (пиксели) определяют градацию интенсивности света от чисто белого до полностью черного (256 оттенков). Каждый пиксель несет информацию о яркости: тем выше яркость, чем больше фотонов попало на сенсор.

Следовательно, каждый пиксель распознает яркость, но при этом он монохромен. Для получения цветного изображения между микролинзой и поверхностью кремня помещают цветные фильтры. Каждому пикселю в строгой последовательности задается свой цвет. Прежде чем попасть на пиксель, свет проходит через фильтр, который пропускает волны только своего цвета и поглощает волны другого.

Любой цвет, который воспринимает человеческий глаз, можно получить, комбинируя несколько основных цветов. В модели RGB, используемой во всей фототехнике, таких цветов три: красный (red – R), зеленый (green – G) и синий (blue – B).

Построение цветового пространства RGB формируется путем синтеза. Большинство сенсоров цифровых камер работает по так называемой байеровской схеме (Bayer patter) – системе расположения фильтров в шахматном порядке; причем количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих, а красные или синие фильтры располагаются между зелеными. Такое количественное соотношение объясняется особенностью строения сетчатки человеческого глаза: он более чувствителен к зеленому цвету.

Аддитивная цифровая модель RGB используется не только в ПЗС-матрицах, мониторы компьютеров и телевизоров тоже работают в RGB-пространстве, а при печати на цветных принтерах и в полиграфии применяют субтрактивный синтез – CMYK: голубой (cyan – C), пурпурный (magenta – M), желтый (yellow – Y). К CMY добавляется цвет черный, обозначенный буквой K – (blacK). (Появление буквы «К» в аббревиатуре CMYK точно определить сложно, существуют разные версии.)

У цветовой модели RGB более широкий цветовой охват, чем у CMYK, поэтому изображение с хорошей цветопередачей в RGB смотрится более тускло в CMYK. Образуя цветовое пространство в модели RGB можно получить более 16 миллионов цветов, но использование RGB не гарантирует, что такое количество цветов вы реально получите на экране мониторов или на оттисках. Изначально цветовая модель RGB была разработана для описания цвета на цветном мониторе, но поскольку модели мониторов различаются в зависимости от фирмы-производителя, были предложены несколько альтернативных цветовых пространств, соответствующих усредненному монитору — sRGB и Adobe RGB. Они различаются оттенками основных цветов, цветовой температурой и показателями гамма-коррекции.

Чувствительность

Чувствительность регистрирующего устройства – это способность реагировать на отраженный от объекта съемки свет. В цифровых фотоаппаратах обычно указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO. Чувствительность ПЗС-матрицы – суммарная характеристика, зависящая от чувствительности каждого пикселя. В свою очередь, чувствительность каждого пикселя ПЗС-матрицы определяется площадью светочувствительной области (Fill Factor) и квантовой эффективностью (Quantum Efficiency).

Квантовая эффективность – способность приемника улавливать свет; она отражает эффективность процесса преобразования поглощенных квантов света в электроны. Поскольку энергия квантов зависит от их длины волны, невозможно точно определить, сколько электронов появится в пикселе матрицы из общего потока разнородных частиц света. Поэтому квантовая эффективность в характеристике матрицы указывается как функция от длины волны. Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95–98 %, практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100 %-ной вероятностью.

В цифровых фотокамерах понятие «чувствительность» аналогично понятию чувствительности фотопленки. Этот параметр на фотокамере пользователь выставляет в зависимости от освещенности. Использование режима увеличения экспозиции (увеличение ISO) – стандартная операция при съемке движущихся объектов, когда требуется короткая выдержка, нужно получить большую глубину резкости или при недостаточной освещенности. Однако не следует забывать, что усиление сигнала матрицы имеет и свои минусы, поскольку при повышении уровня полезного сигнала гораздо заметнее становятся пиксели.

Интерполяция

Интерполяция – это алгоритм увеличения разрешения с помощью математических расчетов, осуществляемых программным обеспечением фотокамеры. Однако следует помнить, что реального увеличения количества элементов матрицы не происходит. Интерполяцию можно осуществлять при обработке фотоизображения в программах редактирования на компьютере. Эффективность процесса интерполяции зависит от конструктивных особенностей матрицы и программного обеспечения.

Идеальным примером интерполяции служит матрица Super CCD, установленная на цифровых фотоаппаратах Fine Pix S3pro, S5pro и т. д. В предыдущих главах мы подробно рассматривали особенности матрицы Super CCD, с точки зрения интерполяции это классический пример, когда матрица с 6 миллионами пикселей выдавала файлы с разрешением 12 МП: двукратное увеличение происходило за счет особого расположения пикселя (восьмигранного формата) и интерполяции. Качество изображения, полученное с помощью 6-мегапиксельной матрицы Super CCD, намного превышало качество изображения, полученное обычной 6-мегапиксельной матрицей.

Для понимания алгоритма интерполяции возьмем, к примеру, квадрат 2x2 пикселя, увеличим его линейные размеры в два раза (4x4 пикселя), площадь нового квадрата возрастет в 4 раза, на каждый базовый пиксель приходится 3 клонированных, отражающих цвет основного пикселя. Процесс интерполяции очень напоминает процесс сжатия изображения, в интерполяции увеличивается число пикселей, а в сжатии – уменьшается. Все манипуляции с увеличением или уменьшением пикселей всегда приводят к потере качества изображения. Например, увеличение количества пикселей при интерполяции увеличивает пиксельное пятно: вместо одной точки определенного цвета возникает 4 того же цвета, следовательно, точка увеличивается в 4 раза. В этом случае плавные контуры изображения приобретают ступенчатость, что существенно ограничивает увеличение формата изображения.

Динамический диапазон

Динамический диапазон – величина, характеризующая способность ЭОП регистрировать оттенки серого (уровни яркости), между абсолютно черным и абсолютно белым цветом. Чем шире динамический диапазон, тем больше оттенков будет воспроизведено на снимке.

Для того чтобы сенсор мог фиксировать детали в тени и на ярком солнце, от каждого пикселя требуется емкая потенциальная яма, которая должна удерживать минимальное количество электронов при слабом освещении и вместить большой заряд при попадании на сенсор большого светового потока. Снимаемый кадр может содержать как глубокие тени, так и ярко освещенные участки. Способность сенсора отображать большое количество оттенков в тени и на солнце зависит от ширины динамического диапазона. Возможность потенциальной ямы удерживать заряды определенной величины именуется глубиной потенциальной ямы (Well Depth) – именно от этой характеристики зависит динамический диапазон сенсора.

Среди цифровых устройств наибольшим динамическим диапазоном обладают барабанные сканеры (дорогостоящие устройства для сканирования изображения), у планшетных сканеров динамический диапазон значительно меньше, а у цифровых фотоаппаратов даже профессионального класса – еще меньше. Самый маленький динамический диапазон – у камер, встроенных в сотовые телефоны, так как ЭОП у камер данного типа имеет маленький физический размер.

В фотографии динамический диапазон принято измерять в единицах экспозиции (EV) т. е. логарифмом по основанию 2, реже десятичным логарифмом (обозначается буквой D). EV=0.3D.

При определении формата файла определяется характеристика динамического диапазона, используемого при записи фотографии, например JPEG определяется стандартом sRGB: динамический диапазон равен 11.7EV (8-9EV реально полезны), в файлах Radiance HDR динамический диапазон равен 256EV.

Фотографическая широта пленки (фотоширота) показывает диапазон яркостей, который пленка может передать без искажений с равным контрастом. Фотоширота слайд-пленки составляет 5-6EV, негативная пленка имеет фотографическую широту в два раза больше 10EV, кинопленка – до 14EV.

Динамический диапазон современных цифровых фотокамер составляет у компактных фотоаппаратов 7-8EV, у цифровых зеркальных камер – 10-12EV. При этом не стоит забывать, что матрица передает объекты съемки с разным качеством, детали в тенях искажаются шумами, светлых – передаются хорошо. Максимальный динамический диапазон у цифровых зеркальных камер доступен только при съемке в RAW формате, при конвертации в формат JPEG камера обрезает детали, а динамический диапазон сокращается до 7.5–8.5EV.

Иногда при съемке определенных объектов возникает ситуация, когда динамического диапазона у цифровых камер или пленок недостаточно для передачи сюжета. Недостаток динамического диапазона особенно заметен при съемке на слайд или компактную цифровую камеру которые зачастую не могут передать даже яркий дневной пейзаж с деталями в тенях, а диапазон яркости ночного сюжета может достигать до 20EV, в этом случае необходимо увеличение динамического диапазона камеры. Существуют несколько способов увеличения динамического диапазона, технология HDR – самая распространенная, для ее реализации необходимо три кадра; первый – содержащий детали в глубоких тенях, второй кадр – с проработкой деталей в светлых тонах, третий кадр – с проработкой деталей в диапазоне средних яркостей. Комбинированием трех изображений, методом наложения одного на другое, можно получить фотоизображения с широким динамическим диапазоном. Фотосъемку трех кадров можно осуществлять в режиме брекетинга с заданным пользователям шагом изменения экспозиции.