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 van de kleur- of bayermosaiek) 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

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.

Door het gebruik van een kleurfilter voor iedere pixel heeft een hot pixel altijd een welbepaalde kleur.

Onze ogen bestaan uit drie soorten kegeltjes die gevoelig zijn voor deze drie kleuren. Men gebruikt dubbel zoveel groen gevoelige fotodiodes 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.
RGB Bayer filter

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 CMYG 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.

Overigens wordt het subtractief kleurenmodel gedeeltelijk gebruikt in de nieuwe smartphone P30 PRO waar de groene fleurfilter vervangen wordt door een gele kleurfilter. De krachtige processor zet dan het rood-geel-blauw signaal om in een rood-groen-blauw signaal zodat de foto opgeslagen kan worden in jpeg.

Door geel te gebruiken in plaats van groen kan de sensor 40% meer lichtgevoeliger gemaakt worden. Een beeld bestaat immers voor 59% uit het groen-geel component en slechts uit 11% blauw en 30% rood (Y = 0.2989R + 0.5870G + 0.1140B) [naargelang de toepassing worden er andere quotiënten gebruikt]
CMYG Bayer filter
Deze filter is helderder en laat meer licht door
maar de kleuren zijn minder goed gedefinieerd.

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.

RGBG'-filter
Deze filter gebruikt twee tinten groen om de dynamiek te vergroten. Een kleurbeeld wordt grotendeels opgebouwd uit het groen component (onvereer 60%). Het groen ligt in het midden van het kleurenspectrum en het is de belangrijkste kleur, de kleur die de meeste informatie bevat.

Door twee tinten groen te gebruiken kan men de dynamiek van de sensor verbeteren. Bij een beeld met een normaal contrast geven zowel de heldergroene als de donkergroene sensoren een bruikbaar signaal. In zeer heldere delen van het beeld geven enkel de sensoren met een donkergroene filter een bruikbaar signaal af, en in donkere delen van het beeld zijn het de heldergroene sensoren die signaal afgeven.

Omdat dit een zeer technische materie is, wordt daar nauwelijks reklame over gemaakt (terwijl heelwat fabrikanten dergelijke filters gebuiken). Zoveel miljoen pixels, zoveel ISO, zoveel zoom,... dat is blijkbaar belangrijker.

Het is belangrijk dat als je foto's in RAW bewerkt, je softwarepakket kan omgaan met de data van RGBG' sensoren.
RGBE Bayer filter 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)

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).
3 verschillende panchromatische kleurmosaieken

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.

Afbeelding rechts:
Klassieke kleurfilters en filters die op diffractie gebaseerd zijn

-