Digitální snímače: jak na barvy

Digitální snímač jako takový je barvoslepý, zaznamenává pouze jasy – od bílé až po černou neboli odstíny šedé. Kolik jich je, záleží na použitém AD/převodníku, výstupním formátu a celkovém zpracování obrazových dat. Zatímco běžné 8-bitové zpracování (JPG formát) pracuje s 256 odstíny šedé (RGB model), 12-bit zpracování (TIFF, RAW) nabízí až cca 16x více odstínů – 4096. Vůči barvě je však snímač imunní a musíme jej tedy nějak přinutit, zaznamenat ji!

Záznam barev je v digitálním světě (obecně) matematicky extrémně složitou záležitostí,

tím spíše, že musíme pracovat s různými barevnými prostory (RGB, CMYK, HSB, Lab)

– dle typu “interpretace” obrazových dat

Jak na barvy?

Moderní CMOS a CCD senzory digitálních fotoaparátů se skládají např z 18 milionů světlocitlivých buněk (+/- typické rozlišení současné střední třídy digitálních zrcadlovek), které však registrují pouze jas. Měří intenzitu dopadajícího světla, ale nerozlišují jeho vlnovou délku / tedy barvu (ať je to červená – majíce vlnovou délku 700 nm nebo modrá – s 450 nm, snímači je to fuk a zaznamenává jen šedou škálu)! Pro správnou interpretaci barev si digitální snímače fotoaparátů pomáhají geniálním (a zároveň geniálně jednoduchým) trikem, založeným na staré známe Bayerově masce.

Jednotlivé barvy mají odlišnou vlnovou délku (možná si ještě pamatujeme ze základů Fyziky).

Digitální snímače však nejsou schopni vlnovou délku rozlišit – pro ně je barva prázdný pojem.

Bayerova maska

Jde o trojkombinaci “filtrů“ (pro dobrou názornost si je představme jako troj-barevnou mozaiku) umístěných před senzorem. Každé „sklíčko“ propustí jen světlo určité vlnové délky (R / red, G / green nebo B / blue). V Bayerově masce se většinou pravidelně střídá červená (R), zelená (G) a modrá (B) – neboli klasický RGB model. RGB barevný prostor není v podstatě ničím jiným než simulací lidského vnímání barev. Možná si ještě pamatujete ze 7. třídy základní školy, že v lidském oku jsou také tři druhy čípků, citlivých na červenou, modrou a zelenou (z čehož vychází Bayerova maska… a tyčinky v našem oku zase reagují na jas – šedou škálu – analogie se snímačem). Bayerovu masku ještě doplňuje druhá „zelená“ vrstva, která má za úkol se co nejvíce přiblížit lidskému vnímání (naše oko je totiž zvláště citlivé právě na zelenou barvu, proto je v Bayerově masce „G-kanál“ zdvojený). Vytvořená „RGBG mozaika“ tak pravidelně střídá červenou, modrou a zelenou – přičemž zelené je v masce dvojnásobek. Prakticky je tak u Bayerovy masky – v případě 24 MPix fotoaparátu – 12 MPix citlivých na zelenou barvu, 6 MPix citlivých na červenou barvu a 6 MPix citlivých na modrou.

Bayerova maska řeší efektivně problém “černobílého vnímání světa” digitálních snímačů.

Jedná se o řešení až překvapivě (a geniálně) jednoduché.

Pře(do)počet obrazu

Pro korektní výsledek je však nutné provést ještě velké množství přepočtů. Každý obrazový bod na snímači by díky Bayerově masce „viděl“ jen „červeně“, „zeleně“ nebo „modře“ – žádný pixel by nedokázal definovat barvu světla ve všech RGB složkách současně! Proto se porovnává výsledek u každého obrazového bodu s jeho „nejbližšími sousedy“ a dopočítá se k němu zbývající dvojice barevných hodnot (k „červené buňce“ se ještě dopočítá informace o zelené a modré). Interpolace neboli „přepočet obrazu“ je složitým procesem, který z údajů ze snímače dopočítá RGB hodnoty všech obrazových bodů. Bayerova maska však nijak neubírá rozlišení v celém jasovém spektru – dopočítávají se jen barvy. Navíc výsledky zcela oscilují s možnostmi lidského zraku, takže případné nepřesnosti stejně nemáme šanci pouhým okem odhalit.

Interpolace – dopočet obrazové (barevné) informace je naopak matematicky velice náročnou operací

Na výsledku to však není znát a případné změny lidské oko nemá šanci poznat.

Digitální technika se obecně inspiruje v přírodě (konkrétně zde u lidského zraku),

zároveň však šalamounsky využívá i “naší nedokonalosti”.   

Falešné barvy

Trochu problémem zde je fakt, že buňky senzoru bohužel registrují i neviditelné složky spektra (infračervené, ultrafialové záření), což by mohlo výsledné barvy výrazně zkreslit. Například UV záření by mohlo negativně ovlivnit buňky snímače, proto má každý snímač – vedle Bayerovy masky, další sofistikovaný systém filtrů – od „anti-aliasing“ filtru (viz minulý díl), přes UV filtr, až po IR filtr, které mají za cíl odfiltrovat právě ty nechtěné složky spektra. 

Závěrem

Výjimkou z pravidla jsou snímače typu Foveon, které neobsahují barevné filtry, ale trojici barvocitlivých vrstev nad sebou. Jedná se vlastně o ekvivalent tří snímačů, z nichž každý zaznamenává jedno světelné spektrum (modrou, zelenou nebo červenou) a zbylé dvě barvy prostě propustí světlo dál, čímž se pro každý pixel změří zvlášť reálná hodnota RGB. Zváštní, že i přes neodiskutovatelné výhody daného řešení se Foveon na trhu příliš nerozšířil. Ačkkoli některé videokamery od renomovaných výrobců používají systém, založený právě na „Foveonu“ (samozřejmě jej pojmenovali po svém a inspiraci v cizích technologiích vehementně popírají). Ale takový už je život (resp. Trh).