SENZORI DIGITALNE KAMERE

Digitalni fotoaparat koristi niz milijuna sićušnih svjetlosnih šupljina ili "fotostranica" za snimanje slike. Kada pritisnete okidač fotoaparata i započne ekspozicija, svaki od njih se otkriva kako bi skupio fotone i pohranio ih kao električni signal. Nakon završetka ekspozicije, kamera zatvara svaku od tih fotostranica, a zatim pokušava procijeniti koliko je fotona palo u svaku šupljinu mjereći snagu električnog signala. Signali se zatim kvantificiraju kao digitalne vrijednosti, s preciznošću koja je određena dubinom bita. Rezultirajuća preciznost tada se može ponovno smanjiti ovisno o formatu datoteke koji se snima (0 - 255 za 8-bitnu JPEG datoteku).

Niz šupljina Svjetlosne šupljine

Međutim, gornja ilustracija stvorila bi samo slike u sivim tonovima, budući da ove šupljine ne mogu razlikovati koliko svake boje imaju. Za snimanje slika u boji, filtar se mora postaviti preko svake šupljine koji dopušta samo određene boje svjetlosti. Gotovo sve sadašnje digitalne kamere mogu uhvatiti samo jednu od tri primarne boje u svakoj šupljini, pa odbacuju otprilike 2/3 dolazne svjetlosti. Kao rezultat toga, kamera mora aproksimirati druge dvije primarne boje kako bi imala punu boju u svakom pikselu. Najčešći tip niza filtara boja naziva se "Bayerov niz", prikazan dolje.

Niz filtara boja Fotografske stranice s filtrima boja

Bayerov niz sastoji se od izmjeničnih redova crveno-zelenih i zeleno-plavih filtara. Primijetite kako Bayerov niz sadrži dvostruko više zelenih nego crvenih ili plavih senzora. Svaka primarna boja ne dobiva jednaki dio ukupne površine jer je ljudsko oko osjetljivije na zeleno svjetlo od crvenog i plavog svjetla. Redundancija sa zelenim pikselima proizvodi sliku koja izgleda manje šumno i ima finije detalje nego što bi se moglo postići da se svaka boja tretira jednako. Ovo također objašnjava zašto je šum u zelenom kanalu puno manji nego za druge dvije primarne boje (pogledajte "Razumijevanje šuma slike" za primjer).

Originalna scena
(prikazano na 200%) Što vaša kamera vidi
(kroz Bayerov niz)

Napomena:Ne koriste svi digitalni fotoaparati Bayerov niz, no ovo je daleko najčešća postavka. Na primjer, Foveon senzor hvata sve tri boje na lokaciji svakog piksela, dok drugi senzori mogu hvatati četiri boje u sličnom nizu:crvenu, zelenu, plavu i smaragdno zelenu.

BAYER DEMOZAICIJA

Bayer "demosaicing" je proces prevođenja ovog Bayerovog niza primarnih boja u konačnu sliku koja sadrži punu informaciju o boji u svakom pikselu. Kako je to moguće ako kamera ne može izravno mjeriti punu boju? Jedan od načina da ovo shvatimo jest da svaki niz 2x2 crvene, zelene i plave zamislimo kao jednu šupljinu u punoj boji.

→

To bi dobro funkcioniralo, no većina kamera poduzima dodatne korake kako bi izdvojila još više informacija o slici iz ovog niza boja. Kad bi kamera tretirala sve boje u svakom nizu 2x2 kao da su pale na isto mjesto, tada bi mogla postići samo polovicu rezolucije iu vodoravnom i u okomitom smjeru. S druge strane, ako bi kamera izračunala boju pomoću nekoliko preklapajućih nizova 2x2, tada bi mogla postići veću razlučivost nego što bi to bilo moguće s jednim skupom nizova 2x2. Sljedeća kombinacija preklapajućih nizova 2x2 mogla bi se koristiti za izdvajanje više informacija o slici.

→

Imajte na umu kako nismo izračunali informacije o slici na samim rubovima niza, jer smo pretpostavili da se slika nastavlja u svakom smjeru. Da su to zapravo rubovi niza šupljina, tada bi izračuni ovdje bili manje precizni, budući da više nema piksela sa svih strana. To je obično zanemarivo, budući da se informacije na samim rubovima slike mogu lako izrezati za kamere s milijunima piksela.

Postoje i drugi algoritmi za demosaicing koji mogu izvući malo veću rezoluciju, proizvesti slike s manje šuma ili se prilagoditi da najbolje približe sliku na svakoj lokaciji.

DEMOZAICIRANJE ARTEFAKATA

Slike s malim detaljima blizu granice razlučivosti digitalnog senzora ponekad mogu prevariti algoritam demosaicinga—proizvodeći rezultat nerealnog izgleda. Najčešći artefakt je moiré (izgovara se "more-ay"), koji se može pojaviti kao uzorci koji se ponavljaju, artefakti u boji ili pikseli raspoređeni u nerealni uzorak poput labirinta:

Druga fotografija na ↓ 65% gornje veličine

Gore su prikazane dvije zasebne fotografije—svaka s različitim povećanjem. Obratite pozornost na pojavu moiréa u sva četiri donja kvadrata, uz treći kvadrat prve fotografije (suptilan). I artefakti nalik labirintu i u boji mogu se vidjeti u trećem kvadratu smanjene verzije. Ovi artefakti ovise o vrsti teksture i softveru koji se koristi za razvoj RAW datoteke digitalnog fotoaparata.

Međutim, čak i s teoretski savršenim senzorom koji bi mogao uhvatiti i razlikovati sve boje na svakom foto mjestu, moiré i drugi artefakti bi se i dalje mogli pojaviti. Ovo je neizbježna posljedica bilo kojeg sustava koji uzorkuje inače kontinuirani signal u diskretnim intervalima ili mjestima. Iz tog razloga, gotovo svaki fotografski digitalni senzor uključuje nešto što se naziva optički niskopropusni filtar (OLPF) ili filtar protiv aliasinga (AA). To je obično tanak sloj izravno ispred senzora i djeluje tako da učinkovito zamućuje sve potencijalno problematične detalje koji su finiji od rezolucije senzora.

NIZOVI MIKROLEĆA

Možda se pitate zašto prvi dijagram u ovom vodiču nije postavio svaku šupljinu neposredno jednu do druge. Senzori fotoaparata u stvarnom svijetu zapravo nemaju mjesta za fotografije koja pokrivaju cijelu površinu senzora. Zapravo, mogu pokriti samo polovicu ukupne površine kako bi se smjestila druga elektronika. Svaka šupljina prikazana je s malim vrhovima između njih koji usmjeravaju fotone na jednu ili drugu šupljinu. Digitalni fotoaparati sadrže "mikroleće" iznad svake fotografije kako bi poboljšali njihovu sposobnost skupljanja svjetlosti. Ove su leće analogne lijevcima koji usmjeravaju fotone u foto mjesto gdje bi fotoni inače bili neiskorišteni.

Dobro dizajnirane mikroleće mogu poboljšati fotonski signal na svakom foto mjestu i zatim stvoriti slike koje imaju manje šuma za isto vrijeme ekspozicije. Proizvođači fotoaparata uspjeli su upotrijebiti poboljšanja u dizajnu mikroleća kako bi smanjili ili održali šum u najnovijim fotoaparatima visoke razlučivosti, unatoč manjim mjestima za fotografije, zbog uguravanja više megapiksela u isto područje senzora.

Za daljnje čitanje o senzorima digitalnih fotoaparata, posjetite:
Veličine senzora digitalnih fotoaparata:kako one utječu na fotografiju?