Bayer Mosaiek


Fotografie » TechTalk » Fysica » Kleur » Bayer mosaiek

De inleiding kan u hier vinden:

Maar naast de CFA (Color Filter Array, de generieke naam van de kleurmosaiek) bestaan er andere systemen om kleur te detecteren. Vaak worden ze tristimulus genoemd, omdat ze de drie kleuren per pixel kunnen detecteren (iedere pixel bevat rode, groene en blauwe kleurinformatie).

Nadat de kleur gedetecteerd is door de fotodiode, moet het nog verwerkt worden.

Meneer Bayer

In 1976 heeft een zekere Bayer (geen familie van meneer Aspirine) een patent neergelegd voor een RGB-matrixstruktuur voor een kleurensensor. Zijn patent had toen nog geen direkte toepassing, men gebruikte in die tijd voornamelijk opnamebuizen. Trouwens, de manier om een kleurenbeeld te toveren uit een zwart/wit opnamebuis grenst aan de magie en toont aan dat het menselijk vernuft van alle tijden is.

De eerste IC's waren nog heel rudimentair en konden nauwelijks gebruikt worden als opname-element. Dit was de tijd van de eerste microprocessoren (4 bits!). Maar het systeem van Bayer wordt tegenwoordig in de meeste kleursensoren gebruikt. De basisstruktuur is een zich herhalende blok van 4 pixels.

De opdeling in een vaste matrix heeft als gevolg dat er kleurstoringen en moiré kan optreden (digitale artefakten). Als het beeld in RAW modus opgeslagen wordt, dan kan men een andere algoritme gebruiken dan de firmware van de camera om de RGB waarden van ieder pixel te berekenen.


RGB filter

Het ligt voor de hand de drie primaire kleuren te gebruiken: rood, groen en blauw, dezelfde kleuren die gebruikt worden bij televisie, dataopslag en computerweergave.

Onze ogen bestaan uit drie soorten kegeltjes die gevoelig zijn voor deze drie kleuren. Men gebruikt twee groen gevoelige sensoren omdat onze ogen het meest gevoelig zijn voor het groen; zo bootst men onze ogen eigenlijk na. Als men een beeld analyseert, dan zit trouwens de meeste informatie in het groene kanaal. Men gebruikt het groene kanaal als basis voor het helderheidskanaal omdat groen in het midden van de gevoeligheidscurve licht (rood-orange-geel-groen-blauw-paars).

Als men het heeft over een Bayer-filter of CFA (Color Filter Array), dan heeft men het over een RGB filter. Zoals je verder kan lezen bestaan er andere filter arrays die met andere kleuren werken. Het is zelfs mogelijk de kleurmasker volledig achterwege te laten.


2/3 van het licht gaat verloren in de filters

Het RGB-systeem is tot nu toe het meest toegepaste systeem, maar heeft als grote nadeel dat er 2/3 van het licht verloren gaat in de kleurenfilter: de kleuren van de filter zijn namelijk redelijk donker.


CMYG kleurmosaiek

Al heel snel heeft men pogingen ondernomen om de beperkte lichtgevoeligheid van het RGB-model te omzeilen. In plaats van primaire kleuren is men secundaire kleuren gaan gebruiken. Terwijl een filter van een primaire kleur 2/3 van het licht tegen houdt, houdt een filter van een secundaire kleur slechts 1/3 van het licht tegen. Dit is zonder wiskundige uitleg te zien op de afbeelding rechts: de CYMG-filters zijn helderder (laten meer licht door) dan de RGB-filters. Het rendement van de hele sensor verdubbelde in één klap! De gebruikte filterkleuren zijn cyan (laat groen en blauw door), magenta (laat blauw en rood door), geel en groen. Dergelijke sensoren werden kortstondig in de jaren 1999-2000 gebruikt.

Het nadeel was dat de color filter array een slechtere kleurinformatie produceerde: "het is geen magenta!" Maar wat is het dan wel?
Het CYMG-kleurenmodel (subtractief kleurenmodel) heeft een kleinere gamut en kan minder kleurnuances opnemen en weergeven.

Naar mijn mening heeft men de CYMG-sensoren te vroeg begraven, want met betere algoritmen kan men de kleur van ieder blok van 4 pixels wèl nauwkeurig bepalen. De verwerkingssnelheid was echter in de jaren 1999-2000 de beperkende faktor. Vooral de omzetting van GYMG naar RGB was het grote struikelblok (JPEG bestaat enkel in RGB-kleuren). Tegenwoordig hoeft dit zeker geen probleem meer te zijn, de beeldverwerkingsprocessoren zijn 100× sneller geworden en mocht het niet genoeg zijn, dan kan de afbeelding altijd in RAW opgeslagen worden voor berekening achteraf.


RGBE-filter

De sensor met RGBE-filter verdient niet beter dan een voetnoot in de geschiedenis. Met een bijkomende groene kleur (emerald) wou men een betere kleurscheiding bekomen. Men zal vooral van deze sensor onthouden (toegepast in de Sony DSC-F828) dat hij minder lichtgevoelig is en daarom meer ruist. Emerald is namelijk donkerder dan groen, en laat dus minder licht door.


Panchromatische sensoren

Om de lichtgevoeligheid te vergroten worden er geen kleurfilters voor een aantal sensoren geplaatst. Nadeel is dat men aan kleurinformatie verliest. Een blok is het basiselement waaruit men de kleurinformatie kan terugwinnen, en één blok is namelijk 16 pixels groot geworden (met een 3×3 matrix lukt het niet een enevwichtige blok te vormen)


Fuji 3×3 matrix

Fuji gebruikt een × matrix met een andere opstelling van de kleuren in een aantal van zijn fototoestellen.

Het voordeel is dat de raster minder opvalt (het effect is vergelijkbaar met de filmkorrel volgens Fuji) waardoor een minder sterke anti-aliasing filter gebruikt kan worden. Deze filter is altijd nodig om kleurfranjes te vermijden (bij een rasterpartoon in beeld).


Dichroïde filters

Een kenmerk van klassieke filters is dat de ongewenste kleuren geabsorbeerd worden: ze gaan dus verloren in de filter zelf. Een dichroïde filter heeft een microscopisch raster dat interfereert met het licht. De ongewenste kleuren worden niet geabsorbeerd, maar weerkaatst. Zou men deze weerkaatste lichtstralen niet kunnen gebruiken?

Bij een sensor met color splitter gebruikt men een deflector om de kleuren te splitsen. Hier gaat niets verloren. De lichtstralen die weerkaatst worden, worden namelijk opgevangen door de nabijgelegen fotodiodes.

Men is echter nog bezig met het onderzoek, waarbij verschillende opstellingen uitgetest worden. De opstelling rechts gebruikt een deflector per twee fotodioden, terwijl andere ontwerpen een deflector plaatsen voor iedere fotodiode (de deflector is de dichroïde filter).

De verwerking is hier heelwat complexer, want een fotodiode krijgt niet enkel licht van zijn eigen filter (bijvoorbeeld cyan of magenta), maar ook licht van de nabijgelegen filters (een complementaire kleur, dus rood of groen).

De deflector werkt enkel op rij-niveau (bijvoorbeeld horizontaal). De fotodiodes links en rechts krijgen de complementaire kleur, maar niet de fotodiodes boven en onder. De volgende rij bestaat dus uit een andere reeks gekleurde filters.

Bij het gebruik van dergelijke filters moet de blurfilter (moiré filter) die uit birefringent materiaal bestaat, slechts in één richting werken (vertikaal), aangezien de deflectoren zelf zorgen voor een hozitontale afvlakking.


RGB Bayer filter



CYMG Bayer filter
Deze filter is helderder en laat meer licht door
maar de kleuren zijn minder goed gedefinieerd.



RGBE Bayer filter



3 verschillende panchromatische kleurmosaieken



Klassieke kleurfilters en filters die op diffractie gebaseerd zijn

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren