Fotografie: de bayermosaiek

Kleur wordt gedetecteerd door de bayer-mosaiek

Bayer kleurfilters

Fotografie » TechTalk » Fysica » Kleur » Bayer mosaiek

De inleiding kan u hier vinden:

Het menselijk oog en de CCD en CMOS sensoren
Informatie over de primaire kleuren van het additief en subtractief kleurenmodel

Maar naast de CFA (Color Filter Array, de generieke naam) 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).

Meneer Bayer

Adverteren op mijn sites voor 20€ per maand.

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

RGB Bayer filter Tweederde van het licht gaat verloren in de 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. Daarom is men het groene kanaal ook gaan gebruiken als basis voor het helderheidskanaal.

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.

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.

CYMG filter

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

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.

Andere filters

RGBE Bayer filter

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 weinig lichtgevoelig is en daarom enorm ruist. Emerald is namelijk donkerder dan groen, en laat dus minder licht door.

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).

Panchromatische sensor

3 verschillende panchromatische kleurmozaieken

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.

De marc-sensor

Blokken van 9 pixels komen niet in aanmerking (ik weet niet waarom), terwijl ze wel de correcte kleurinformatie produceren. Ze gebruiken daarvoor slechts een blok van 9 pixels in plaats van 16 en daarom is de kleurinformatie nauwkeuriger.

Verwerking

Gevoeligheidscurve

Nikon

Canon

Je zou denken dat de verwerking redelijk uniform zou zijn voor alle toestellen. Dit is echter niet zo, en er zijn verschillen zelfs in de kleinste details.

De kleurfilters van Nikon en Canon hebben een verschillende doorlaatcurve. Dit is van belang bij de verwerking en het uiteindelijk resultaat. Je merkt dat het verloop van de filters van de Nikon mooi scherp is (zo moet het eigenlijk zijn). De kleuren zijn goed gedefinieerd. Nikon toestellen worden vaak geprezen vanwege de correcte, goed gesatureerde kleuren. Maar een dergelijke filter laat maar 1/3 van het licht door: bij weinig licht presteert het fototoestel minder goed.

Canon gebruikt minder scherpe filters. Het gevolg is dat de kleuren minder nauwkeurig gedefinieerd zijn (is dat orange of geel?). De matrix (wiskundige berekeningen) moet sterker ingrijpen om de kleur te doen verschijnen. Er is meer kleurruis aanwezig. Het monochromatisch beeld vertoont echter minder ruis omdat er meer licht door de filter kan.

Ultra-violet en infra-rood

De gebruikte lenzen laten nagenoeg geen uv-straling door, en de kleurfilters filteren de rest indien nodig zou zijn. In normale omstandigheden heb je gen UV-filter nodig.

Een nadeel van de rode filter is dat de gevoeligheid gedeeltelijk in het infra-rood doorloopt. Dit is niet zo positief en heeft als gevolg dat foto's met veel infra-rood er onnatuurlijk uitzien. De huid (dat infra-rood zeer goed weerkaatst) ziet er veel te bleek uit en alle details (relief) zijn verdwenen. Als je het beeld per kanaal in Photoshop bekijkt, dan zal je merken dat het rood kanaal overstuurd is.

Het fototoestel heeft wel een infra-rode filter (hot mirror genaamd), maar die laat een klein deel infra-rood door. Bij een zonsondergang bestaat de zonnestraling bijna uitsluitend uit infra-rood en daardoor kan je fototoestel overstuurd worden...

Interpolatie

Een sensor heeft bijvoorbeeld 15 miljoen pixels. Maar iedere pixel geeft slechts een kleurinformatie, niet het volledig plaatje. In een JPEG bestand heeft ieder pixel een RGB waarde. Om de ontbrekende kleurwaarden te bekomen interpoleert men de waarden van de nabijgelegen pixels met dezelfde kleur. De rode RGB-waarde van de middelste pixel wordt berekend aan de hand van de pixel rechts en links, de blauwe RGB-waarde aan de hand van de pixel boven en onder. De groene RGB-waarde van een blauwe of rode pixel wordt berekend aan de hand van de 4 groene omliggende pixels. Dit heeft als gevolg dat de kleurresolutie beperkt is, vooral wat betreft het rode en blauwe signaal. Dit is heel goed zichtbaar als je de kleurkanalen bekijkt in Photoshop: het blauwe of rode kanaal is minder gedetailleerd.

De kleurresolutie verhogen is niet mogelijk als er een bayermosaiek toegepast wordt. Door een slimme interpolatie kan men echter de helderheidsinformatie intakt houden.

Downsampling,... die geen downsampling is

Bij downsampling gaat men bijvoorbeeld één pixel op de twee gebruiken om een beeld met een lagere resolutie te produceren. Maar bij een fotografische sensor werkt men met een blok R-G en G-B met 4 fotosites. Iedere blok levert een uiteindelijke pixel met complete RGB waarden. Men werkt eigenlijk met de "native" resolutie van de sensor. Hoewel de resolutie van het bekomen beeld lager is, heeft men niet aan downsampling gedaan: men heeft de informatie van alle pixels gebruikt, niet meer, en niet minder.

Wenst men een nog lagere resolutie (bijvoorbeeld om een snellere verwerking of een betere ruisafstand te bekomen) dan zal men aan pixel binning doen: de naburige pixels met eenzelfde kleur worden samen gevoegd.