Tworzenie obrazu w aparatach cyfrowych

Transkrypt

1 Tworzenie obrazu w aparatach cyfrowych

2 Matryca światłoczuła Matryca CCD stosowana w aparacie Nikon D70. Wygląda "prawie" jak zwykły układ scalony.

3 Wydajność kwantowa QE - ang. Quantum Eficiency (wydajność kwantowa) mówi nam o zdolności danego detektora światła do reagowania na padające światło.

4 Podstawowa zasada Na początku XX wieku Einstein opisał istotę zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. Polega ono na przekazaniu energii fotonów padającego światła elektronom metalu (w matrycach stosuje się krzemowe półprzewodniki), które zostają uwolnione (odseparowane od atomu, nazywa się je fotoelektronami). Jest to podstawa działania każdej matrycy cyfrowej w aparacie.

5 Dwa rodzaje: Matryce światłoczułe CCD - układ o sprzężeniu ładunkowym (ang. charge coupled device) CMOS - komplementarny półprzewodnik tlenkowy (ang. complementary metaloxide semiconductor),

6 Budowa aparatu cyfrowego Na rysunku widzimy jednak, że matryca światłoczuła stosowana w aparacie cyfrowym to nie tylko detektor światła CCD/CMOS (5). Przed pikselami umieszczone są na stałe filtry barwne (4) i mikrosoczewki (3) i zestaw filtrów. Dodatkowo przed matrycą umieszczony jest także filtr IR (1) oraz AA (2). Zanim zdjęcie zostanie zapisane na karcie pamięci przetwarzane jest przez układ DSP (6, ang. Digital Signal Processor, cyfrowy procesor sygnału).

7 Filtr anty-aliasingowy Aliasing występuje w momencie, gdy szczegółowość sceny jest większa niż liczba pikseli. Taki obraz wydaje się nam zbyt ostry i poszatkowany - przykładem jest fotografia korony drzewa z milionami liści. Może zaistnieć sytuacja, że jeden liść reprezentowany jest przez niewiele pikseli, a nawet tylko 1, co uniemożliwia poprawne określenie wyglądu jego krawędzi (kształt) czy koloru powierzchni.

8 Filtr anty-aliasingowy Stosowany w cyfrówkach filtr AA (czyli mówiąc inaczej dolnoprzepustowy), umieszczany przed detektorem CCD/CMOS, ma za zadanie zminimalizować ten efekt (rozmywając nieco obraz), poprzez obniżenie zbyt wysokich kontrastów i umożliwienie aparatowi dokładnego próbkowania danych i ich interpretacji.

9 Filtr anty-aliasingowy

10 Filtr IR Każdy cyfrowy detektor światła stosowany w cyfrówce jest bardzo czuły w świetle podczerwonym. Gdyby zarejestrować to światło wraz z zakresem widzialnym, otrzymalibyśmy zdjęcia o bardzo dziwnych (poczerwienionych) barwach.

11 Filtr IR Nasze oko jednak jest przyzwyczajone do postrzegania wyłącznie w świetle widzialnym, czyli dla fal o zakresie nm. Wszystko, co jest poza tym zakresem, jest dla nas niewidzialne. Niestety, wszystkie fotografowane obiekty świecą w podczerwieni (co jest częściowo związane z temperaturą ciał) i stad te dziwne barwy.

12 Filtr IR

13 Matryca światłoczuła Po lewej stronie układ CMOS (na dole widać zintegrowaną w chipie elektronikę), po prawej układ CCD.

14 Matryca światłoczuła Wytworzenie i integracja ładunku w pikselach pod wpływem padających fotonów - napełniamy kubełek wodą. Zablokowanie dostępu światła - czyli zakrywamy wierzch kubełka pokrywką. Pomiar i przeskalowanie zgromadzonego ładunku na napięcie - opróżniamy kubełek z wody. Zamiana napięcia na odpowiadający mu sygnał cyfrowy - sprawdzamy, ile zebraliśmy wody w każdym kubełku.

15 Matryca światłoczuła

16 Mikrosoczewki Rysunek pokazuje, że gdyby nie stosowano mikrosoczewek, to spora część światła byłaby utracona. Dzięki soczewkom prawie całe padające światło trafia na powierzchnię światłoczułą.

17 Matryca światłoczuła jest czarno - biała Tak, matryca światłoczuła w aparacie cyfrowym nie rozróżnia kolorów. Przyczyną tego jest fakt, iż piksele matrycy reagują wyłącznie na intensywność padającego światła, a nie jego barwę. Co zrobić, aby uzyskać kolorowy obraz? Można to osiągnąć na kilka sposobów.

18 Matryca światłoczuła jest czarno - biała Możemy rozdzielić sygnał świetlny na trzy wiązki RGB i wykorzystać 3 detektory do jednoczesnej rejestracji światła. Ta metoda, znana jako 3CCD, jest często stosowana w kamerach cyfrowych. Niestety, wymaga stosowania dodatkowego układu pryzmatycznego, co podraża produkcję i zmniejsza kompaktowość konstrukcji.

19 Matryca światłoczuła jest czarno - biała Możliwe jest też wykonanie 3 zdjęć zmieniając filtry, zakładając kolejno filtr R, G i B. Można zautomatyzować ten proces umieszczając ruchome koło filtrów przed matrycą. Lecz tradycyjna fotografia wymaga rejestracji obrazów, które zmieniają się często bardzo szybko i ponowne uchwycenie takiego samego obrazu byłoby niemożliwe.

20 Matryca światłoczuła jest czarno - biała Stosując technikę z fotografii analogowej, gdzie klisza zbudowana jest z kilku warstw, reagujących na różne barwy światła, kolejno niebieską, zieloną i czerwoną (związane jest to z różną głębokością penetracji warstwy światłoczułej, zależnie od barwy światła). Matryce, wykorzystujące ten pomysł są bardzo drogie w produkcji, a także nie oferują zbyt wielkiej rozdzielczości w pikselach.

21 Matryca światłoczuła jest czarno - biała Ostatnia metoda bazuje na podobnych założeniach, jak funkcjonowanie ludzkiego oka, czyli na interpolacji barwnej. Mówiąc w skrócie, proces interpolacji pozwala na stworzenie dodatkowej informacji, wykorzystując już istniejącą.

22 Proces interpolacji CIEKAWOSTKA - proces interpolacji barwnej nie jest nam tak obcy, jak by się wydawało. Oko ludzkie też posiada receptory (tzw. czopki), które są czułe na różne długości światła odpowiadające mniej więcej RGB. Mózg ludzki dokonuje tej interpolacji samoistnie i widzimy kolorowy obraz. Błędy w tym procesie mogą się objawić takimi schorzeniami jak np. daltonizm.

23 Filtr kolorowy Bayer'a Przez każdym pikselem znajduje się filtr, który przepuszcza jedną z barw R, G lub B, a pozostałe dwie blokuje. Dla przypomnienia - filtr (dobrej jakości) przepuszcza tylko światło "swojego" koloru. Zwykle filtry są ułożone w postaci szachownicy, a układ jej sprawia, że na co drugi piksel pada światło zielone, a na co czwarty czerwone bądź niebieskie.

24 Filtr kolorowy Bayer'a Jest to konsekwencją faktu, że matryca ma "naśladować" własności oka ludzkiego a nasze oko jest bardziej czułe na kolor zielony a więc i matryca powinna być bardziej czuła na ten kolor. Prześledzimy teraz jak powstaje kolorowy obraz dowolnego punktu odwzorowującego fotografowany obiekt.

25 Filtr kolorowy Bayer'a

26 Filtr kolorowy Bayer'a

27 Interpolacja barwna Tak więc stosując maskę barwnych filtrów możemy rejestrować różne barwy. Ponieważ jednak dla danego piksela mamy informacje tylko o jednej ze składowych koloru, np. R, to aby określić jego prawdziwy kolor trzeba uwzględnić informacje z sąsiednich pikseli, a ponieważ mają one inne barwy, jest to możliwe. Proces ten jest realizowany przez procesor aparatu (jest to tzw. interpolacja barwna).

28 Interpolacja barwna

29 Interpolacja barwna Istnieje możliwość pominięcia interpolacji i zapis w postaci pliku RAW. Jest to plik z informacją o tym, co widzi matryca CCD bez żadnej obróbki. Zapis danych w tym formacie daje nam duże możliwości, gdyż dopiero po zrobieniu zdjęcia możemy nadać mu odpowiedni balans bieli skorygować barwy lub naświetlenie, i nie musimy się o to za bardzo martwić w momencie wykonywania zdjęcia.

30 Dziękuję za uwagę!