Используемые в цифровой фотографии . Фильтр Байера назван в честь его создателя, доктора Брайса Байера (англ. Bryce Bayer ), Сотрудника компании Kodak . Фильтр используется в фотосенсор цифровых фотоаппаратов , видеокамер и сканеров для получения цветного изображения.

Массив фильтра состоит из 25% красных элементов, 25% синих и 50% зеленых элементов. Поэтому его часто называют GRGB или RGBG.

Принцип работы

В результате использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает только яркость только одного цветового компонента, другие два отсекаются фильтром. Для получения цветовых компонент используются значения из соседних ячеек, которые содержат информацию об отсутствующих цветовые составляющие, с помощью интерполяции (по алгоритму demosaicing) Итак, при считывании цветного изображения каждой предметной точки участвуют минимум три ячейки фотосенсора с потерями 2/3 цветовых компонент в каждом.

Из-за потери части информации в результате работы фильтра Байера, изображения более размытым, чем исходное. Для исправления процессор фотоаппарата повышает четкость изображения. Процесс искусственного повышения четкости называется Sharpening. Дополнительно, процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять цифровой шум и т.д.. в зависимости от модели аппарата. Получение четких изображений прежде всего достигается увеличением количества пикселей сенсора . Поскольку вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере.

Последние модели профессиональных и полупрофессиональных цифровых фотоаппаратов позволяют записывать изображение в т. н. "Сыром" RAW -формате, где изображение записывается как набор яркости в каждом диоде, т.е. в черно-белом виде, не неся никакой цветовой формы, и в файл записываются данные, полученные прямо с матрицы, в процессе интерполяции формируют изображение на компьютере, с возможностями ручного управления параметрами преобразований.

? в ? Фотография Жанры Фото Сроки

Фильтр Байера состоит из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов, расположенных как показано на рисунке.

Исторически это самый первый из массивов цветных фильтров. Назван по имени его создателя, доктора Брайса Э. Байера (англ. Bryce Bayer ), сотрудника компании Kodak , запатентовавшего предложенный им фильтр в 1976 г. Для отличия от других разновидностей его называют GRGB , RGBG , или (если надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB .

Принцип работы

Матрица является устройством, воспринимающим спроецированное на него изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, для воспринятия цветного изображения каждый фотоприемник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного, синего (цветовая модель RGB).

Вследствие использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает лишь 1/3 цветовой информации участка изображения, а 2/3 отсекается фильтром. Для получения остальных цветовых компонент используются значения из соседних ячеек. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерполяции (по алгоритму demosaicing) Таким образом, в формировании конечного значения цветного пиксела участвует 9 или более фотодиодов матрицы.

В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:

G	R
B	G

При этом фотодиодов зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше, чем фотодиодов других цветов, в результате разрешающая способность такой структуры максимальна в зелёной области спектра, что соответствует особенностям человеческого зрения.

Изменения в структуре расположения

Для снижения заметности артефактов дебайеризации были разработаны модифицированные фильтры Байера, содержащие изменения, «разбавляющие» однородную периодическую структуру «неправильным» расположением части цветных пикселей. Вместо минимального 4-х пиксельного элемента матрицы повторяется 12- или 24-пиксельный. Однако они не нашли массового применения из-за значительного роста необходимой вычислительной мощности для обработки полученного изображения.

Пример применения

Сфотографируем исходный объект (для наглядности его часть увеличена):

→

При этом получаются три цветовые составляющие:

	↓
	↓

Таким образом, мы получили изображение, каждый пиксель которого содержит только одну цветовую составляющую одной из предметных точек, спроецированных на него объективом. И только 4 предметных точки, рядом расположенных и спроецированных объективом на блок пикселей RGGB, приближенно формируют полный набор RGB 1-й усредненной предметной точки. Далее, процессор камеры должен, используя специальные математические методы интерполяции, рассчитать для каждой точки недостающие цветовые составляющие. В результате получается следующее изображение:

Как видно на картинке, это изображение получилось более размытым, чем исходное. Такой эффект связан с потерей части информации в результате работы фильтра Байера. Для исправления процессор фотоаппарата должен повысить чёткость изображения. Процесс искусственного повышения чёткости называется Sharpening . Дополнительно, в этот момент процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять цифровой шум и т. д. в зависимости от модели аппарата. Получение более чётких изображений в первую очередь достигается увеличением количества пикселей сенсора, что уменьшает его размытость. Так как вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере. Чем дешевле фотоаппарат, тем меньше возможностей повлиять на эти функции. В профессиональных фотокамерах функции коррекции изображения отсутствуют совсем, либо их можно выключить.

Недостатки

История, аналоги

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

В душе Пьера теперь не происходило ничего подобного тому, что происходило в ней в подобных же обстоятельствах во время его сватовства с Элен.
Он не повторял, как тогда, с болезненным стыдом слов, сказанных им, не говорил себе: «Ах, зачем я не сказал этого, и зачем, зачем я сказал тогда „je vous aime“?» [я люблю вас] Теперь, напротив, каждое слово ее, свое он повторял в своем воображении со всеми подробностями лица, улыбки и ничего не хотел ни убавить, ни прибавить: хотел только повторять. Сомнений в том, хорошо ли, или дурно то, что он предпринял, – теперь не было и тени. Одно только страшное сомнение иногда приходило ему в голову. Не во сне ли все это? Не ошиблась ли княжна Марья? Не слишком ли я горд и самонадеян? Я верю; а вдруг, что и должно случиться, княжна Марья скажет ей, а она улыбнется и ответит: «Как странно! Он, верно, ошибся. Разве он не знает, что он человек, просто человек, а я?.. Я совсем другое, высшее».
Только это сомнение часто приходило Пьеру. Планов он тоже не делал теперь никаких. Ему казалось так невероятно предстоящее счастье, что стоило этому совершиться, и уж дальше ничего не могло быть. Все кончалось.
Радостное, неожиданное сумасшествие, к которому Пьер считал себя неспособным, овладело им. Весь смысл жизни, не для него одного, но для всего мира, казался ему заключающимся только в его любви и в возможности ее любви к нему. Иногда все люди казались ему занятыми только одним – его будущим счастьем. Ему казалось иногда, что все они радуются так же, как и он сам, и только стараются скрыть эту радость, притворяясь занятыми другими интересами. В каждом слове и движении он видел намеки на свое счастие. Он часто удивлял людей, встречавшихся с ним, своими значительными, выражавшими тайное согласие, счастливыми взглядами и улыбками. Но когда он понимал, что люди могли не знать про его счастье, он от всей души жалел их и испытывал желание как нибудь объяснить им, что все то, чем они заняты, есть совершенный вздор и пустяки, не стоящие внимания.
Когда ему предлагали служить или когда обсуждали какие нибудь общие, государственные дела и войну, предполагая, что от такого или такого исхода такого то события зависит счастие всех людей, он слушал с кроткой соболезнующею улыбкой и удивлял говоривших с ним людей своими странными замечаниями. Но как те люди, которые казались Пьеру понимающими настоящий смысл жизни, то есть его чувство, так и те несчастные, которые, очевидно, не понимали этого, – все люди в этот период времени представлялись ему в таком ярком свете сиявшего в нем чувства, что без малейшего усилия, он сразу, встречаясь с каким бы то ни было человеком, видел в нем все, что было хорошего и достойного любви.
Рассматривая дела и бумаги своей покойной жены, он к ее памяти не испытывал никакого чувства, кроме жалости в том, что она не знала того счастья, которое он знал теперь. Князь Василий, особенно гордый теперь получением нового места и звезды, представлялся ему трогательным, добрым и жалким стариком.

В цифровых камерах для получения изображения используется сенсорная матрица из миллионов миниатюрных ячеек-пикселей. Когда вы нажимаете кнопку спуска на своей камере, и начинается экспозиция, каждый из этих пикселей представляет собой «фототермос», который открывается, чтобы собрать и сохранить фотоны в своей ёмкости. По завершении экспозиции камера закрывает все фототермосы и пытается определить, сколько фотонов попало в каждый. Относительное количество фотонов в каждой ёмкости далее преобразуется в различные уровни интенсивности, точность которых определяется разрядностью (от 0 до 255 для 8-битного изображения).

В ёмкости не содержится информации о том, сколько каждого цвета попало в неё, так что вышеописанным способом можно было бы получить только чёрно-белые изображения. Чтобы получить цветные изображения, поверх каждой ёмкости помещают фильтр, который пропускает только определённый цвет. Практически все современные цифровые камеры могут захватить в каждую из ёмкостей только один из трёх первичных цветов и таким образом теряют примерно 2/3 входящего света. В результате камере приходится складывать остальные цвета, чтобы иметь информацию обо всех цветах в каждом пикселе. Наиболее известный матричный цветофильтр, который называется «фильтр Байера», показан ниже.

Матрица Байера состоит из чередующихся рядов красно-зелёных и зелено-синих фильтров. Обратите внимание, что в матрице Байера содержится вдвое больше зелёных сенсоров, чем синих или красных. Дисбаланс первичных цветов вызван тем, что человеческий глаз более чувствителен к зелёному цвету,чем к красному и синему вместе взятым. Избыточность по зелёным пикселям даёт изображение, которое кажется менее шумным и более чётким, чем казалось бы при равном количестве цветов. Это объясняет также, почему шум в зелёном канале намного меньше, чем в остальных (пример см. в статье «Что такое визуальный шум »).

Примечание: не все цифровые камеры используют матрицу Байера, но это наиболее распространённый вариант. Сенсор Foveon, используемый в камерах Sigma SD9 и SD10, регистрирует все три цвета в каждом пикселе. Камеры Sony снимают четыре цвета в похожем массиве: красный, зелёный, синий и изумрудно-зелёный.

Дебайеризация

Дебайеризация - это процесс трансляции матрицы первичных цветов Байера в итоговое изображение, в котором содержится полная информация о цвете в каждом пикселе. Как это возможно, если камера не в состоянии непосредственно измерить полный цвет? Один из способов понять этот процесс - это рассматривать каждый массив 2x2 из красной, двух зелёных и синей ячейки как одну полноцветную ячейку.

→

В целом этого достаточно, но большинство камер предпринимают дополнительные шаги, чтобы получить из этой матрицы ещё больше информации об изображении. Если бы камера рассматривала каждый из массивов 2x2 как одну точку, её разрешение упало бы вдвое и по горизонтали, и по вертикали (то есть, вчетверо). С другой стороны, если бы камера считала цвета, используя несколько перекрывающихся массивов 2x2, она могла бы получить более высокое разрешение, чем это возможно для единичных массивов 2x2. Для увеличения количества информации об изображении можно использовать следующую комбинацию из перекрывающихся массивов 2x2.

		→

Обратите внимание, что мы не рассчитывали информацию об изображении на границах матрицы, поскольку предположили, что изображение имеет продолжение в каждую из сторон. Если бы это действительно были границы матрицы, расчёты оказались бы менее точны, поскольку здесь нет больше пикселей. Это не является проблемой, поскольку для камер с миллионами пикселей граничная информация может быть смело отброшена.

Существуют и другие алгоритмы разбора матриц, которые могут извлечь несколько большее разрешение, собирают менее шумные изображения или адаптивно реагируют на разные участки изображения.

Дефекты дематризации

Изображения с мелкими деталями на пределе разрешающей способности цифрового сенсора могут порой сбивать с толку алгоритм разбора матрицы, приводя к неестественно выглядящим результатам. Наиболее известный дефект - это муар, который может проявляться как повторяющиеся текстуры, дефекты цветопередачи или образованные из пикселей сюрреалистические лабиринты:

Выше показаны два снимка с различным увеличением. Обратите внимание на появление муара во всех четырёх нижних квадратах, а также на третий квадрат первого снимка (плохо различимый). В уменьшенной версии в третьем квадрате можно наблюдать как лабиринты, так и дефекты цвета. Такие дефекты зависят как от типа текстуры, так и от программного обеспечения, которое производит исходный (RAW) файл цифровой камеры .

Матрица микролинз

Вас может заинтересовать, почему на первой диаграмме в этой главе ёмкости не были расположены непосредственно друг рядом с другом. У сенсоров в камерах в действительности нет полного перекрытия поверхности. На самом деле зачастую под пиксели отведено не более половины общей площади сенсора, поскольку нужно где-то разместить остальную электронику. Для каждой ёмкости существуют направляющие, которые отправляют фотоны в ту или иную ячейку. В цифровых камерах применяются «микролинзы» поверх каждой группы пикселей, чтобы повысить их способность собирать свет. Эти линзы подобно воронкам собирают фотоны, которые могли иначе остаться неиспользованными.

Хорошо сконструированные микролинзы могут улучшить сбор фотонов каждой ячейкой и, следовательно, создать изображения, в которых содержится меньше шумов при одинаковом времени экспозиции (выдержке). Производители камер оказались способны использовать усовершенствования в производстве микролинз, чтобы снизить или сохранить уровень шума в новейших камерах с высоким разрешением, несмотря на сокращение размеров ячейки в связи с упаковкой большего числа мегапикселей в тот же размер сенсора.

За дополнительной информацией о сенсорах цифровых камер обратитесь к главе.

В настоящее время для получения цветной фотографии свет от объекта запоминается как сумма минимум трех цветов - красного, зелёного и синего, цветовая модель RGB. Так как по своей природе фотодетекторы матрицы чувствительны во всем видимом диапазоне спектра, то над каждым матрицы размещается цветной одного из трёх основных цветов - красного (R), зелёного (G) и синего (B). Таким образом, каждая ячейка матрицы воспринимает только 1/3 часть приходящего , а другие 2/3 рассчитываются процессором камеры на основе данных соседних ячеек. Этот процесс называется . В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:

При этом получаются три цветовые составляющие:

	↓
	↓

Таким образом, мы получили изображение, каждый пиксель которого содержит только одну цветовую составляющую. Далее, процессор камеры должен, используя специальные математические методы интерполяции, рассчитать для каждой точки недостающие цветовые составляющие. В результате получается следующее изображение:

Как видно на картинке, это изображение получилось более размытым, чем исходное. Такой эффект связан с потерей части информации в результате работы фильтра Байера. Для исправления процессор фотоаппарата должен повысить чёткость изображения. Процесс искусственного повышения чёткости называется Sharpening . Дополнительно, в этот момент процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять и т. д. в зависимости от модели аппарата. Так как вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере. Чем дешевле фотоаппарат, тем меньше возможностей повлиять на эти функции. В профессиональных фотокамерах они отсутствуют совсем, либо их можно выключить.

Последние модели профессиональных и полупрофессиональных цифровых фотоаппаратов позволяют записывать изображения в т. н. «сыром» RAW-формате, когда изображение не подвергается внутри камеры вообще никакой обработке, а в записываются данные, полученные напрямую с матрицы, т. е. процесс интерполяции, повышение чёткости, подавление шума и другие операции с изображением выполняются на компьютере, обладающем намного большей вычислительной мощностью и возможностями ручного управления параметрами преобразований.

Альтернативы, достоинства, недостатки

Альтернативой фильтру Байера являются три матрицы с системой дихроичных зеркал или дихроичных призм. Зеркала раскладывают свет на составляющие (красный, зелёный, синий), после чего каждая из составляющих идёт на свою матрицу. Такая конструкция применяется в некоторых , но не встречается в фотоаппаратах.

Достоинства фильтра Байера:

• простота и компактность;
• к трёхматричной системе невозможно присоединить ;
• для обеспечения сходного качества изображения нужно меньше пикселей. В частности, трёхмегапиксельная камера с фильтром Байера даёт заметно лучшее изображение, чем камера с тремя матрицами по 1 Mpx;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведения цветов.

Достоинства трёх матриц:

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного ;
• выше светочувствительность.

Также иногда применяются CYGM-фильтры:

C	Y
G	M

Такой фильтр даёт бо́льшую светочувствительность, но худшую цветопередачу.

Проблемы, присущие фильтрам Байера, призвано решить новое поколение цифровых светочувствительных матриц - компании , в которых каждый пиксель состоит из трёх слоев, каждый из которых воспринимает свой цвет. Однако, в настоящее время (начало 2005 года) эти матрицы, в силу присущих им других технических недостатков (например, высокого уровня ), занимают незначительную часть рынка цифровой фототехники.

Налоги и платежи