Filtr Bayera pokrywający matrycę światłoczułą

Czy kodowanie RGBW kiedyś się sprawdzi?

Dzisiejszy wpis będzie pewnego rodzaju uzupełnieniem postu o matrycach Sony Exmor RS. Postanowiłem napisać o czymś, co po angielsku określa się terminem „RGBW coding”. Widzę, że w polskim Internecie funkcjonuje nazwa „kodowanie RGBW”, stąd i ja będę się nią posługiwał. Technologa RGBW pojawiła się w pierwotnej specyfikacji sensorów Exmor RS, jednak ostatecznie Sony porzuciło plany jej zastosowania w obecnej generacji matryc. Niewątpliwie samo rozwiązanie techniczne jest bardzo ciekawe i mam wrażenie, że koncern jeszcze wróci do tego pomysłu (zresztą nie swojego :)).

Żeby zrozumieć czym jest kodowanie RGBW, trzeba się najpierw przyjrzeć budowie klasycznej matrycy światłoczułej, wyposażonej w filtr Bayera. Na bardzo uproszczonym schemacie, matryca światłoczuła z nałożonym kolorowym filtrem Bayera, wygląda następująco:

Fizyczne elementy światłoczułe leżą pod kolorową mozaiką Bayera i są zaznaczone na rysunku na szaro. Nie są one w stanie rozpoznawać koloru, a potrafią jedynie zliczać uderzające w nie fotony – czyli określać ile padło na nie światła (zupełnie nie przejmując się jego barwą). Żeby uczulić matrycę na kolor, należy zastosować jakiś system filtrów barwnych, w celu rozdzielenia padającego światła na składowe czerwoną, zieloną oraz niebieską. Jednym z powszechnie stosowanych rozwiązań jest mozaika Bayera, pokazana schematycznie na rysunku. Kiedy na matrycę, przykrytą filtrem Bayera, pada wiązka światła, powiedzmy odbitego od twarzy modela, to taka matryca potrafi pomierzyć ile w tej wiązce było składowej czerwonej, ile zielonej a ile niebieskiej. Jak wiadomo, mieszając te kolory w różnych proporcjach, możemy uzyskać dowolny inny, znany nam kolor. Dzięki tej właściwości jesteśmy w stanie „odzyskać” kolor twarzy modela, znając wyłącznie liczby opisujące ilościowo składowe RGB (czerwień, zieleń i niebieski) w odbitym od owej twarzy świetle. Jest to oczywiście pewne uproszczenie, bo na przykład należy jeszcze odpowiednio wycechować matrycę, czyli ustawić balans bieli.

Jak widać z rysunku, każdy fizyczny piksel matrycy reaguje tylko i wyłącznie na jeden z trzech podstawowych kolorów – ten odpowiadający barwie elementu filtru Bayera którym jest przysłonięty. Jakim więc cudem oglądane przez nas pliki graficzne nie posiadają struktury mozaiki Bayera? Zawdzięczamy to procesowi zwanemu domozaikowaniem. Algorytm demozaikujący przygląda się nie tylko aktualnie obrabianemu pikselowi, ale również jego otoczeniu na matrycy i metodami interpolacji stara się ustalić przypuszczalne wartości składowych poszczególnych kolorów dla tego przetwarzanego piksela. Dopiero powstała w ten sposób liczba, jednocześnie opisująca wartości RGB, trafia do pliku JPEG lub TIFF (jako wartość pojedynczego piksela). Ufff, mam nadzieję, że nie opisałem tego wszystkiego w zbyt zawiły sposób… Dalej powinno być już prościej.

Matyce światłoczułe z filtrami Bayera spisują się bardzo dobrze, ale nie są pozbawione wad. Jednym z mankamentów jest stosunkowo mała czułość tych sensorów. Jest to spowodowane tym, że filtry pochłaniają dużą część wpadającego przez obiektyw światła. Efekt ten uwidacznia się szczególnie mocno dla aparatów z maleńkimi obiektywami i matrycami – czyli między innymi dla modułów fotograficznych w naszych smartfonach i tabletach. Znalezienie sposobu na zwiększenie czułości matryc, jest jednym z priorytetowych kierunków poszukiwań dla inżynierów projektujących matryce światłoczułe.

I tym oto sposobem, doszliśmy w końcu do kodowania RGBW! W 2007 roku firma Kodak zaproponowała, aby część pikseli sensora światłoczułego było uczulonych panchromatycznie – czyli na wszystkie barwy w zakresie światła widzialnego. To trochę tak, jak gdyby te piksele przykryć białym (W) filtrem:

Zaproponowane w 2007 r. przez firmę Kodak wzory filtrów RGBW

Zaproponowane w 2007 r. przez firmę Kodak wzory filtrów RGBW. Źródło: Wikipedia.

Dzięki temu rozwiązaniu na matrycy znajdują się teraz piksele należące jakby do dwóch grup. Do pierwszej z nich należą te reagujące wyłącznie na jeden, określony kolor (czerwony, zielony lub niebieski) – na zasadzie analogicznej jak w klasycznych matrycach z filtrem Bayera, a do drugiej piksele charakteryzujące się wysoką czułością (jako że dociera do nich pełne spektrum światła), lecz nie rozpoznające koloru. W efekcie, tak skonstruowany sensor, jako całość, staje się bardziej czuły, czyli upraszczając, w złych warunkach oświetleniowych daje lepszy, jaśniejszy, mniej zaszumiony obraz, w porównaniu z podobną matrycą, ale opartą o mozaikę Bayera. Niestety jednocześnie układ RGBW zdecydowanie gorzej radzi sobie z kolorami – po prostu w ogólnej liczbie pikseli, tylko część z nich ma zdolność rozpoznawania barw. Mówiąc inaczej, problemem staje się, wspomniany wcześniej, proces demozaikowania – czyli połączenia wszystkich tych cząstkowych informacji w wysokiej jakości obraz wynikowy.

Koncern Sony, który na początku 2012 roku zapowiedział zastosowanie filtru RGBW w matrycach Exmor RS, wycofał się z tej decyzji. Stwierdzili lakonicznie, że wynikowy obraz uzyskany z ich sensorów RGBW, nie spełnia wysokich kryteriów jakości, którymi szczyci się firma Sony :). Osobiście myślę, że badania nie zostały przerwane, tylko brakło im czasu na dopracowanie szczegółów, lub też postanowili nie wyciągać zbyt wcześnie asa z rękawa.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

CommentLuv badge