РОЖДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Продолжение материала. Предыдущую часть (2) читайте здесь. Начало (часть 1) читайте здесь.

Первый цветной гелиохромный дагерротип был получен Ливаем Хиллом в 1853 году. В 1855 году Джеймс Максвелл создал теорию цветоощущения и уже тогда считал, что без увеличения чувствительности фотоматериала к зелёной и красной частям спектра достойного результата не получить.

Сергей Михайлович Прокудин-Горский снимал в 1901-1917 гг. на камеру Митте (в берлинской лаборатории профессора Митте обучался Прокудин-Горский — прим. ред.) чёрно-белые, цветоделённые по методу Максвелла фотографии. На одной бромо-серебряной фотопластине располагались три негатива, каждый из которых экспонировался за аддитивным цветным фильтром - красным, зелёным и синим.

В 1995 году была выпущена цифровая фотокамера Minolta RD-175, созданная на базе модели Minolta Dynax/Maxxum 500si. Компания Minolta реализовала проект в сотрудничестве с Agfa. Последняя продавала RD-175 под маркой Agfa ActionCam. В камере призма рассекала и разводила лучи света на три ПЗС-матрицы, каждая из которых имела разрешение 0,38 Мпикс. Два сенсора записывали зелёный канал, третий - красный и синий. Такая система требует тончайшей юстировки и применима, как правило, в массивных видеокамерах. Кроме того, матрицы большого размера адаптировать к системе 3ССD/3CMOS очень сложно.

Стандартной для цифровой фотоаппаратуры стало применение технологии мозаичной решётки сотрудника компании Kodak Брайса Байера, который запатентовал её в 1976 году. Массив цветных регулярно-расположенных фильтров накрывает пиксели сенсора и каждый воспринимает только 1/3 спектрального диапазона. В классике это квадрат из четырех квадратиков, диагонально - два зелёных, другие - красный и синий фильтры. Тут же столкнулись с необходимостью «де-мозаичности» и увеличения резкости. Функции взял на себя процессор, он же занимается управлением контрастом, яркостью, подавляет тепловой и цифровой шумы - а тут ещё и с растровыми искажениями, муаром приходится бороться.

Перед микролинзами с фильтрами Байера расположен ещё один фильтр - антимуаровый/низкочастотный/инфракрасный. У него две задачи: удаление муара и защита сенсора от ИК-потока. Муар появляется при восстановлении цветоделённого изображения, когда частота повторяющихся элементов рисунка совпадает с частотой растра цветного фильтра. Чтоб не совпало, растр фильтра делали не из 4, а даже из 24 цветных элементов, особым образом расположенных. Тем не менее мозаичность - проявляется, да и муар - тоже. Тепловое излучение «сбивает» цветовосприятие фотоматериала. В плёночной практике использовали защитные фильтры, спектрально обрезающие паразитный частотный ИК-диапазон (UV-IR).

Особенно это понадобилось, когда компании-производители стали выпускать цифровые фотокамеры с убранным ИК-фильтром. Во-первых, такие модели понадобились астрофотографам. Во-вторых, фотохудожникам. В некоторых ситуациях ИК-фильтр «съедает» до 15% деталей и оттенков цветов. Однако сам термин «отсутствие фильтра» сегодня неверен. Ранее приходилось использовать физический ИК/low pass/низкочастотный/«анти-алиайзинговый» фильтр (и тогда его можно было действительно - «ручками» - убрать или заменить на другой, с подходящим диапазоном пропускания, например, для астрофотографии) перед сенсором, не способным работать при избыточных уровнях ИК-излучения (и все цвета получат «чайно-фиолетовый» оттенок). А в критических случаях перед объективом приходилось ставить UV/IR-защитные светофильтры.

В современной цифровой камере перед сенсором установлен заграждающий (отсекающий) ИК-фильтр, который снижает чувствительность матрицы к излучению в ИК-диапазоне. Подобные резонансные фильтры, имеющие многозвенное/многослойное покрытие, типа просветляющего, создают крутой спад АЧХ и хорошо отсекают ненужное ИК/УФ-излучение, не трогая крайние части диапазона видимого света. Что мы выигрываем?

Нет рассечения всего частотного диапазона на «пучки» спектра; понижается ИК-засветка; значительно снижается паразитная составляющая предсенсорных фильтров - всё это повышает резкость и контраст изображения на 30%; повышается чёткость передачи оттенков цвета на 25-30%.

Как результат, появилась возможность процессорного повышения резкости за счёт малого уровня дифракции вокруг сфокусированной точки. В моделях Sony A* имеются недокументированные процессорные функции дифракционного контроля и зонального повышения резкости.

В камере Sony RX-1RII появилась система отключаемого жидкокристаллического ИК-фильтра. Если нужно суперразрешение - выключаем, если нужен точный цвет и без муара - включаем. Не исключаю, что в дальнейшем подобный ЖК-слой будет встроен в микролинзу каждого пикселя, что даст возможность процессору своевременно управлять детализацией и оттенками.

Необычные байеровские матрицы

Великолепным решением отличилась компания Fujifilm. Добиваясь точного цвета в первую очередь, и только во вторую думая о противодействии муару, она создала серию матриц Super-CCD с разнесёнными октагональными, диагонально-расположенными пикселями разного размера для восприятия данных высокого и низкого контраста. «Зелёные» пиксели — двойные. Для малых уровней освещённости и ситуаций малого контраста в структуру введены дополнительные "зелёные" пиксели бОльшего размера. С переходом на EXR CMOS (2011) с диагональным расположением пикселей компания Fujifilm отработала систему считывания со сдвигом, умножающую поток данных. До этого приходилось двигать всю матрицу физически. Позже подобная система появилась на камерах Pentax (APS-C – 2015), Olympus (m4/3 – 2015) и Sony (24x36 – 2017).

Полноцветные матрицы

Первым был Foveon - сенсор с трёхслойным расположением цветочувствительных сенсоров в каждом пикселе. Верхние два слоя - полупрозрачные, точнее спектрально-прозрачные. Тип сенсоров производства компании Foveon - ПЗС. Это одна из причин, по которой разработчик этой системы, профессор калифорнийского университета Карвер Меад, назвал многослойную сенсорную технологию «тупиковой ветвью».

Сложнейшая система считывания, жёсткая система обработки, малая скорость при больших потерях — это не позволяет добиваться развития системы. Всё, что было сделано компанией Sigma на сенсоре Foveon X3, это повторение давней системы с улучшенной обработкой без эффективного продвижения вперёд.

В 2007 году компания Nikon опубликовала патент на собственную полноцветную систему - с дихроичными зеркалами. Под одной микролинзой расположено два дихроичных зеркала, после первого часть светопотока отклоняется на сенсор синего, а поток идёт ко второму зеркалу. После второго дихроичного зеркала светопоток отклоняется на сенсор зелёного, а остальной поток идёт к сенсору красного. Второе зеркало ещё и поглощает инфракрасный поток - в первых патентах этим занималось отдельное зеркало. Развития не произошло ввиду сложности производства.

В 2015 году компания Sony показала патент экспериментального сенсора с двумя пикселями под одной микролинзой. Пиксели имеют свои цветные фильтры и дополняют информацию друг друга, как в применяющейся Canon двухцветной системе фокусировки.

Прогнозы на будущее

В дальнейшем байеровские фильтры могут интегрироваться в пиксель под микролинзу, а в ближайшем будущем возможно их замещение встроенными в микролинзу цветными жидкокристаллическими затворами. Тогда каждый пиксель сможет передавать последовательно сигналы цветности: красный, зелёный, синий, зелёный, белый, зелёный, красный, например, в необходимой комбинации. А с открытыми затворами получится монохром.

Ещё интереснее перспективы развития вариантов с дихроическим спектральным делением сразу на три сенсорных модуля под единой микролинзой большого диаметра. Громадный динамический диапазон, минимальные потери, но - огромный поток данных к процессору.

Уже сегодня перед процессором пришлось поставить распределителя - модуль LSI (линейный системный интегратор). Из огромного потока он выделяет, сортирует и передаёт в процессор последовательно данные об изображении, цвете, балансе белого, точке фокусировке и подвижности объектов, глубине резкости и искажениях, поступающих от объектива. LSI - единственный греющийся модуль в системе. А работы будет только больше: добавился попиксельный сдвиг считывания.

Первоначально в среднеформатных цифровых задниках использовался точнейший сдвиг всей матрицы на один пиксель вверх-вправо-вниз-влево. Каждый раз экспозиция уходила в буфер, откуда её брал процессор, сшивал и записывал учетверённый по объёму кадр. Разрешение - огромное. Систему усовершенствовали компании Pentax и Olympus, увеличив количество сдвигов. Нет, сенсор они не трогали, а вот считывания с сенсора стали сдвигать.

Сегодня в камере Sony ILC-E A7RIII производится 4 считывания по 3 цветам и вместо 42 Мпикс. на изображение работает 166,6 Мпикс. Объём кадра - огромный, но это как раз то, что необходимо пейзажистам, рекламщикам и тем, кто... не умеет снимать. Последним нужен объём несжатого RAW-файла, чтобы его обрабатывать, исправляя собственное неумение сразу снимать правильно.

Окончание материала (часть 4) читайте здесь.