Матрица superccd EXR

Далеко не все производители фотоаппаратов устанавливают в свои модели светочувствительные матрицы собственного изготовления. Многие используют матрицы сторонних производителей. Ситуация эта сложилась давно и воспринимается вполне нормально.

Компания Fujifilm – одна из тех, кто разрабатывает собственные матрицы, причем занимается этим очень активно. Многие технологические идеи впервые нашли применения именно в матрицах этой фирмы, зачастую они так и остаются уникальными решениями.

Fujifilm именует свои матрицы общим термином Super CCD, однако внутри этой линейки было разработано уже несколько поколений матриц различной идеологии. Нынешние матрицы называются Super CCD EXR, и заложенные в них технологии позволяют при получении снимков сделать акцент на одном из трех направлений – достижении высокого разрешения, широкого динамического диапазона и высокого соотношения сигнал/шум.

Далее мы увидим, что среди съемочных режимов модели Fujifilm F300EXR имеются три EXR-режима, в каждом из которых максимально полно реализуется потенциал соответствующего направления. В зависимости от стоящих задач и от условий съемки можно переключать режимы работы матрицы EXR и камеры в целом.

Светочувствительные элементы любой матрицы сами по себе являются как бы черно-белыми – в том смысле, что воспринимают только яркость падающего света, которая в дальнейшем преобразуется в соответствующую амплитуду электрического сигнала. Чтобы сформировать цветное изображение, перед элементами матрицы ставят фильтры, ячейки которых окрашены в разные цвета и таким образом разделяют падающий свет на цветовые составляющие.

В подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратах применяется разделение света на три составляющие R-G-B (красный, зеленый, синий) при помощи фильтра Байера, цветные элементы которого чередуются в соответствии со схемой, приведенной на рисунке слева. В новой матрице EXR элементы фильтра располагаются в другом порядке.

Первые матрицы Fujifilm, в которых были реализованы революционные идеи, призванные расширить динамический диапазон, передаваемый камерой в одном кадре, назывались Super CCD SR. В этих матрицах использовались ячейки двух типов: S-ячейки – большего размера и высокой светочувствительности, и R-ячейки – меньшего размера и низкой светочувствительности. Во время съемки камера как бы одновременно делала два снимка, и в процессе обработки совмещались изображения, полученные с S- и с R-ячеек. Диапазон яркостей существенно расширялся.

Далее Fujifilm выпускала матрицы Super CCD HR, где использовались другие принципы расширения динамического диапазона.

В нынешнем поколении матриц, Super CCD EXR, вновь используются принципы двойной экспозиции. Фактически одновременно делаются два снимка, с большей и меньшей чувствительностью, которые в дальнейшем объединяются в один снимок. Похоже на первые матрицы SR, однако здесь все ячейки одинаково крупные, и поэтому потенциал этого метода (в плане расширения динамического диапазона) еще выше.

Соответствующий съемочный режим в камере FinePix F300EXR называется EXR-DR (от Dynamic Range, динамический диапазон).

Второе направление использования матрицы Super CCD EXR – увеличение отношения сигнал/шум (S/N) при высокой чувствительности. Здесь речь идет вот о чем. При высоких значениях чувствительности, когда разброс уровней сигнала между единичными элементами матрицы возрастает, многие производители применяют очевидную идею – объединяют сигнал с нескольких соседних элементов, или ячеек. При этом разрешение кадра падает (например, с 12 до 6 мегапикселей), зато шумность изображения можно снизить.

Важный нюанс состоит в том, что у «обычной» матрицы чередование элементов, отвечающих за красный, зеленый и синий цвета, подчиняется «байеровской» структуре (иллюстрация внизу слева). Ячейки одного цвета (особенно красные и синие) располагаются не рядом друг с другом, а чередуются. Поэтому ячейки одного цвета трудно объединить корректным образом, возникают как бы взаимные пересечения, или перекрещивания. В результате могут формироваться паразитные цветовые полосы, муар, ложное окрашивание элементов изображения.

В матрице EXR цветовые элементы R-G-B следуют другому шаблону. Зеленые ячейки образуют сплошные диагональные ряды, а синие и красные идут парами, также ориентированными диагонально. При сдваивании ячейки оказываются рядом друг с другом, в результате изображение получается более четким, с более чистыми цветами и без паразитного окрашивания.

Соответствующий режим в камере FinePix F300EXR называется EXR-SN (от Signal/Noise, сигнал/шум).

Наконец, третий режим работы матрицы Super CCD EXR – высокое разрешение EXR-HR (High Resolution). В общем-то, он является более-менее «обычным» режимом, в отличие от двух вышеописанных. Матрица Super CCD EXR, в совокупности с процессором обработки RP, обеспечивает картинку высокого разрешения, что особенно важно при наличии множества мелких объектов в кадре – вроде травы, листьев, волос и так далее. Этот режим, по-видимому, будет в работе основным, используемым по умолчанию, а EXR-DR и EXR-SN – специфическими, включаемыми в случае возникновения соответствующих условий съемки.

3CCD — технология цветоделения в цветном телевидении, использующая три светочувствительные матрицы, отдельные для каждого из трёх цветоделённых изображений: красного, зелёного и синего. Технология основана на оптическом цветоделении при помощи дихроичной призмы, разделяющей^[1] свет от объектива на три изображения по длине волны за счетинтерференции. В телевизионном обиходе такие телекамеры и видеокамеры называют трёхматричными.

Свет от съемочного объектива попадает на цветоделительную дихроичную призму, разделяющую его на три составляющих потока, направляемых к разным граням призмы. Излучение с самой короткой длиной волны избирательно отражается от дихроичного покрытия F1, пропускающего остальной свет дальше. Так синяя составляющая света направляется к нижней выходной грани. Затем, поверхностью с покрытием F2 отделяется длинноволновая - красная часть спектра, попадающая к верхней выходной грани. Зеленый свет проходит через все покрытия, не отражаясь и попадает к задней выходной грани призмы. Таким образом, получаются три монохромных действительных изображения объекта съемки. Красный и синий свет претерпевает двукратное отражение, в результате чего получаются прямые (незеркальные) изображения этих цветов. Каждое из этих цветоделенных изображений попадает на отдельную матрицу, видеосигнал с которых после обработки добавляется к общему. В результате сложения сигналов с трех матриц получается полный цветной телевизионный сигнал.

Некоторые производители используют более сложную систему, добавляя ещё одну матрицу, работающую в зелёном канале. Четвёртая матрица используется для повышения разрешающей способности камеры путём сдвига «на полпикселя»^[6].

Цветоделительная система трехматричных ТВ-камер

Достоинства трёхматричной системы

· Высокая разрешающая способность;

· Высокая точность передачи оттенков цвета;

· Полное отсутствие цветного муара и, как следствие — ненужность применения low-pass^[8] фильтра;

· Ненужность алгоритмов дебайеризации для восстановления потерянной информации, обязательных для одноматричных систем с массивом цветных фильтров;

· Высокая светочувствительность и соотношение сигнал/шум благодаря отсутствию потерь в светофильтрах;

· Возможность осуществления цветокоррекции постановкой дополнительных светофильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света с сохранением высокой чувствительности системы в целом;

· Возможность повышения эффективного разрешения всей системы сверх разрешения отдельной матрицы вдвое по одной из координат, сдвинув три матрицы друг относительно друга на 1/3пикселя и проведя интерполяцию трёх изображений с учётом этого сдвига. Данная технология получила наименование «Pixel shifting».

[править]Недостатки трёхматричной системы

· Большая стоимость, значительно превосходящая стоимость одноматричных камер;

· Габаритные размеры и вес, принципиально бо́льшие, чем у систем с одной матрицей;

· Трёхматричная система не может использоваться с широкоугольными объективами с малым задним отрезком;

· Проблема сведе́ния цветов. Трехматричные системы требуют точной юстировки. Чем меньше физический размер матриц и больше их разрешение, тем сложнее добиться необходимой точности;

· Чувствительность к вибрациям, при наличии которых снижается качество получаемого изображения. Это требует специальных методов борьбы с вибрацией.

· Foveon X3

· До сих пор мы говорили о классических сенсорах. Сейчас стоит рассказать о новом типе КМОП-сенсора от калифорнийской компании Foveon — Foveon X3 [6]. Сенсор был представлен широкой публике в начале 2002 года.

· В основу положена идея о поглощении фотонов различных длин волн на различных глубинах в полупроводнике. Это дает возможность для каждого пикселя сенсора получать свои собственные RGB-компоненты, в одном пикселе совмещены детекторы всех трех цветовых компонент. Весьма изящная идея: одним махом избавляемся от цветовой интерполяции, сглаживания и разницы фаз между RGB-компонентами, присущих классическим сенсорам с CFA. Также, не требуется и трех сенсоров вместе с устройством расщепления света.

·

· Эксперименты [7] по стандарту ISO12233 [8] показывают 2,4-кратное превосходство Foveon X3 в пространственной разрешающей способности над сенсорами с фильтром Байера. А на границе раздела синий-красный до 5 крат. Мы помним о том, что байеровский фильтр содержит синих и красных светофильтров в 2 раза меньше, чем зеленых, отсюда такой скачок:-)

· Все же не удержусь и дам упрощенную схему строения этого сенсора:

·

· Как видим, ключевой особенностью является порядок и глубина залегания p-n-переходов. Коэффициент поглощения кремния почти линейно уменьшается с увеличением длины полны света видимого диапазона. Первыми поглощаются «синие» фотоны, затем «зеленые» и «красные».

· Можно сказать, что перед нами «электронная фотопленка», т. к. из всех сенсоров Foveon X3 наиболее близок к фотопленке, которая также содержит в себе три чувствительных слоя для каждого из цветов в виде «бутерброда».

· В качестве камеры, использующей Foveon X3 можно отметить Sigma SD9, SD10 и Polaroid x530 и вот пока что все. Идея Foveon красива, но, видимо, на практике не все так гладко…
Желающих подробнее ознакомиться с этим типом сенсора прошу на сайт производителя.
Альтернативный теоретический взгляд можно найти в статье.

остоинства

Более чёткое изображение:

· Не требуется процедуры интерполяции недостающих компонентов в каждом пикселе.

· Не требуется постановки перед матрицей размывающего фильтра (обязательного компонента байеровских матриц, он же англ. Anti-aliasing filter) для решения проблемы цветового муара — явления, характерного для мозаичных матриц;

Потенциально лучшие шумовые характеристики:

· Теоретически, позволяет улучшить соотношение сигнал/шум благодаря отсутствию поглощающих ⅔ светового потока цветных фильтров. Но из-за поглощения светового потока верхними слоями и необходимости восстанавливать насыщенность цвета дополнительной обработкой выигрыш в чувствительности оказывается невелик.

· По заявлению разработчиков, Foveon Х3 имеет ещё одно интересное свойство — изменяемый размер эффективного пикселя. Малый размер позволяет делать снимки высокого разрешения. Больший — даёт возможность снимать при слабом освещении. Объединение пикселов в системы 1×1, 4×4, 1×2 и т. д. производится в динамическом режиме.^[5]

Недостатки

· Недостаточная точность цветопередачи и невозможность её радикального улучшения, так как в наибольшей степени она определяется свойствами кремния как такового, и произвольный выбор красителя для компонентов невозможен.

· Относительно высокий уровень цифрового шума. К сожалению, разделение оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «не своей» области. В результате, цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании R G B сигналов с сенсора как значений пиксела изображения даёт малоконтрастную ненасыщенную картинку. Для компенсации этого эффекта требуется вводить агрессивный алгоритм восстановления цветового оттенка. Именно вынужденный подъём насыщенности вносит основной вклад в увеличение итогового шума матрицы

Источники:

http://www.64bita.ru/matrix.html

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%97%D0%A1-%D0%BC%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%86%D0%B0

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%9C%D0%9E%D0%9F-%D0%BC%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%86%D0%B0

http://gran-tec.ru/texts/112-ccd-i-pzs-otlichiya

http://www.remtiviproph.ru/princip/69-p1.html

http://www.onfoto.ru/review/Fujifilm-FinePix-F300EXR/515.html

http://ru.wikipedia.org/wiki/3CCD

http://www.ixbt.com/digimage/sens.shtml

Дата добавления: 2015-08-27