Kleurdetectie


Fotografie » TechTalk » Fysica » Kleur » Detectie

Er bestaan andere systemen dan de klassieke kleurdetectie met CFA (Color Filter Array, ook bekend onder de naam Bayermozaiek).

De inleiding kan u hier vinden:

Bij fotografie wordt er meestal een Bayermosaiek (CFA of Color Filter Array) gebruikt. Dit is eigenlijk een noodoplossing. De Foveon, maar vooral de 3-ccd bieden veel elegantere oplossingen.

Dit zijn de nadelen die eigen zijn aan de CFA sensoren:

Zowel de Foveon als de 3-CCD proberen deze minpunten te omzeilen.

Foveon sensor

De Foveon-sensor gebruikt een opstelling zoals bij de film, met een meerlagige struktuur. Er worden geen filters toegepast, maar men gebruikt de natuurkundige eigenschap van lichtstralen dat bepaalde kleuren min of meer doordringen in een siliciumkristal. Blauw dringt maar een paar micron in het kristal. De drie sensoren worden op de drie niveaus geplaatst. Een Foveon-sensor heeft dus drie gevoelige lagen die op elkaar opgestapeld worden. In theorie heeft een Foveon-sensor een drie maal hogere resolutie, maar in de praktijk bleek het niet mee te vallen: de eerste camera's produceerden slechte beelden, een flauwe afkooksel van wat er op de site geclaimd wordt: "vibrant colors, rich, warm tones and incredible color detail".

Het grote voordeel ten opzichte van de mosaiek-sensoren (uitgerust met een Bayer filter) is dat de optische low pass filter achterwege kan blijven en je dus scherpere beelden bekomt. De blurfilter is nodig om kleurartefakten tegen te gaan ten gevolge van de mosaiekstruktuur.

Een ander, minder voor de ogen springende voordeel is dat je toegang hebt tot iedere individuele pixel. Je kan dus beeldverwerking op pixelniveau toepassen of op een eenvoudige manier ruisreduktie uitvoeren door het signaal van een aantal pixels te grouperen (pixel binning). Bij een mosaieksensor kunnen deze eenvoudige bewerkingen niet op sensorniveau gebeuren, maar pas achteraf, als het signaal gedemosaïceerd is.

Foveon sensoren worden vooral in technische toepassingen ingezet, juist vanwege het feit dat men toegang heeft tot iedere individuele pixel.

Maar de foveon heeft ook zijn nadelen. Vanwege de dieptestruktuur heeft de sensor meer last van schuin invallende lichtstralen (kleurfouten in de hoeken, vooral bij breedhoeklenzen). Wegens diffusie is de resolutie van het rood beeld lager dan dat van het blauw beeld. De blauwe sensor vangt niet enkel de blauwe stralen op, maar alle lichtstralen, waardoor er toch een zekere nabewerking op de sensor nodig is. Als een lichtstraal de blauwe sensor raakt, kan men pas weten dat het blauw licht was als de rode en groene sensoren niets ontvangen hebben. Omdat er bij de blauwe kleur een aftrekking moet gebeuren (verlaging van de ruisafstand) heb je meer ruis in het blauw component. Dit effekt is in de praktijk nauwelijks storend, omdat onze ogen slechts in beperkte mate gevoelig zijn voor het blauw (11%), maar het speelt wel een rol bij het groene kanaal.

Omdat iedere pixel bijdraagt tot de kleurinformatie is het kleurbeeld goed gedefinieerd, maar om kleurruis te beperken kan men van deze hoge resolutie geen gebruik maken. In vergelijking met een Bayersysteem is de helderheidsresolutie echter minder.

Foveon-sensoren werden toegepast in enkele Sigma-digitale reflextoestellen (Foveon werd trouwens opgekocht door Sigma). Sigma is meer gekend vanwege zijn lenzen dan zijn fototoestellen. Hierboven een plaatje geplukt van de site van de sensorfabrikant. Foveon wilt duidelijk de link leggen met de uitstekende eigenschappen van de filmtechnologie. De resolutie van een 4 megapixel (maal drie) camera komt ongeveer overeen met die van een 8 megapixelcamera.

TRI CCD

Bij professioenel videocamera's werkt men vaak met tri-ccd sensoren: het optisch gedeelte bestaat uit drie beeldsensoren, die ieder licht van één bepaalde kleur ontvangen. Het groot voordeel ten opzichte van het mozaiek-systeem is dat er geen licht verloren gaat: men gebruikt namelijk

De eerste dichroïde filter kaatst het groene component terug (dat door de G sensor opgevangen wordt) en laat de rest ongemoeid door.
De tweede dichroïde filter kaatst het blauwe component terug (dat door de B sensor opgevangen wordt) en laat de rest door (de rest bestaat nu nog enkel uit het rode component)

Met een dichroïde filter recupereert men de ongewenste kleuren: geen licht gaat verloren. Een videocamera met een tri-ccd is veel lichtgevoeliger dan een videocamera met een enkelvoudige sensor en mozaiek. Maar een dergelijke camera heeft nog meer voordelen!

Op de tweede foto is de praktische uitvoering van een dergelijke sensor: bovenaan de prismablok met de twee kleurfilters. Daarop gemonteerd, de drie beeldsensoren. De volledige electronica zit op het extra printje. De beeldverwerking is veel eenvoudiger omdat er geen interpolatie moet gebeuren. Het enige wat moet gebeuren is de digitalisering (omzetting van het analoog naar een digitaal signaal).

Omdat er geen complexe beeldverwerking (demosaïcering) moet gebeuren is de fotosensor minder complex: er is meer ruimte beschikbaar voor de fotosites. Er is zelfs minder beeldverwerking nodig dan bij de Foveon sensor, aangezien iedere fotosite precies één kleur produceert (wat niet het geval is bij Foveon).

De blurfilter die nodig is bij mosaiek-sensoren (om kleurzweem te vermijden als er een rasterpatroon opgenomen wordt) kan achterwege blijven: de foto's zijn veel scherper.

Wat ook heel belangrijk is: de ontwerpers zijn vrijer in de keuze van de kleurfilters: bij een klassieke mozaiek worden er breedbandige filters gebruikt om zoveel mogelijk licht door te laten (ten koste van een nauwkeurige kleurdefinitie). Een CFA is altijd een compromis. Bij een 3-CCD is er nooit verlies: wat niet op één sensor terechtkomt, gaat naar een andere sensor.

zonder kleurfilter

De benaming tristimulus dat je soms aantreft geeft aan dat de sensor de drie kleuren per pixel genereert. Bij een klassieke Color Filter Array (CFA) waarvan de bayer sensor de meest gebruikte is, is iedere photosite maar gevoelig voor één kleur en moeten de ontbrekende twee kleuren geïnterpoleerd worden uit de rondom gelegen pixels.

foveon sensor
De foveon sensor


Een TRI-CCD bestaat uit 3 sensoren.

Vanwege de complexe constructie wordt de tri-ccd (of tri-cmos) niet toegepast in fototoestellen. Nikon heeft echter een patent neergelegd voor een CCD of CMOS constructie die gebruik maakt van dichroïde spiegels en filters, maar nooit in de praktijk gebracht (afbeelding links).

Het licht wordt door middel van een microlens gebundeld zoals tegenwoordig bijna altijd het geval is, maar verder wordt het licht gesplitst naar de drie sensoren.

Naast de grote mechanische complexiteit heeft deze constructie ook als nadeel de beperkte resolutie (de drie kleurpixels krijgen hetzelfde licht). Door interpolatie kan men met een klassieke sensor van 10 miljoen fotosites ook een beeld met 10 miljoen pixels maken. Met deze sensor met 10 miljoen fotosites is het aantal pixels beperkt tot 3.3 miljoen.

Paginas die volgens Google je zouden kunnen interesseren