Байер уходит в прошлое

13 ноября не стало Брайса Байера — того самого, который, работая в компании Kodak инженером, в 1976 году изобрел «тот самый» шаблон размещения цветных фильтров на сенсоре захвата цветного изображения. «Байеровская матрица» или «байеровский шаблон» с тех пор успели стать стандартными, сегодня матрицы такого типа установлены в подавляющем большинстве фото- и видеокамер, сотовых телефонов разного уровня развития, планшетов, систем видеонаблюдения (учетных, естественно), вебкамер и еще в массе девайсов непонятного подчас назначения. Патентом на это решение до последнего времени владела обанкротившейся недавно компания Kodak, которая в этом году проводила закрытый аукцион по продаже патентов, и владелец решения должен был смениться. Однако, все эти перипетии сути дела не меняют…

Причиной такого решения в 70-е годы было желание производителя сделать производство устройств захвата изображения дешевле, за счет удешевления основного элемента. Матрицы в то время были в сотни или даже тысячи раз дороже сегодняшних, а по своим характеристикам еще и на пару порядков хуже тех, что сегодня устанавливаются в мобильных телефонах. Чуть ранее для получения цветного изображения приходилось ставить три матрицы после блока разделения светового потока на три части. Каждая матрица имела свой цветовой фильтр — естественно, красный, зеленый или синий. Так работало телевидение, и эту модель цветоделения изобрели давным давно, а первый фотограф, который ей воспользовался, был вообще не цифровым — Прокудин-Горский так снимал Россию для спецпроекта, на который ему выделили массу денег прямо из казны русской короны. Собственно, и показывал цветные кадры им он сам, превращая свой фотоаппарат в проектор.

Впрочем, взнос Байера в современную экономику не умаляется от того, что не он изобрел модель цветоделения. Он всего лишь подогнал ее под современные технологии, сильно удешевив производство сначала видеокамер, а затем и фотоаппаратов. Если вкратце, Байер просто предложил устанавливать светофильтры не перед матрицей, а перед каждым пикселом, копируя модель телевизионных трубок, которые тогда существовали). В итоге, разные пикселы воспринимали информацию о разных цветовых компонентах света. Сделав еще и повторяющийся рисунок (его все знают, вот, наверху) расположения светофильтров, он довел решение до совершенства и отдал патент исследовательскому центру, в котором работал, получив возможность поставить на нем свое имя изобретателя. Перспективы данного решения были не просто радужными — они были безоблачными, отчего это решение используется в электронике уже более 35 лет.

Впрочем, Panasonic одно время производил линейку трех-матричных камер, долго окучивая аудиторию разницей в качестве и точности передачи цвета, ничего этим и не добившись — экономика сама вывела байеровские модели на первое место, потому что решение позволило кремний экономить. Недостатки у этого решения, естественно, тоже есть.

Прежде всего, это известный всем муар, который, в общем-то, связан не столько с самой моделью, сколько с последующими алгоритмами интерполяции — ведь матрица разрешением 12 Мп на деле имеет только 3 Мп честного разрешения во всех трех каналах, остальное «досчитывается» из соседних. Так, в ней будет по 3 млн красных и синих пикселов, и целых 6 зеленых. Несправедливость такая связана с тем, что человеческий глаз восприимчив больше как раз к контрасту в зеленых тонах, да и данных по контрасту изображения в нем хранится куда больше (кто редактирует с использованием разных каналов по отдельности, это знают) — а так как единицей измерения, в данном случае, является блок из 4 близлежащих пикселов, на которые приходится только 3 цветных фильтра, было решено два из них красить в зеленый. Однако, на этом все не заканчивается — дальше начинаются электронные размышления. Ведь, с одной стороны, производители решили сэкономить, но не были готовы признавать, что 12-мегапиксельная матрица в результате стала 3-мегапиксельной (на момент изобретения 12-мегапиксельных матриц и не было, они даже до 1 Мп не дотягивали), поэтому добавили в формирование изображения еще два алгоритма: интерполяции (недостающие пикселы в каждом канале просто додумываются по данным близлежащих пикселов из этого и двух других каналов, то есть, по сути, просто размываются) и шарпинга (из-за размытия 3-мегапиксельной картинки на 12 Мп приходится хотя бы четкость повысить, чтобы не было совсем уж сплошного мыла). В итоге, картинка стала больше, при сохранении количества деталей, резче, но при этом вылезли наружу и все артефакты — при пересечении геометрического расположения пикселей с линиями в кадре при сопоставимых размерах (например, волокна рубашек, полоски на одежде) возникает волнообразный рисунок на поверхности, который и принято называть муаром. В лучшем случае, будет он монохромным, а то ведь в бюджетных моделях еще и цветным быть может.

Второе — это пикселизация. Из-за того, что первые матрицы имели очень малое разрешение, был актуален так называемый эффект алиасинга. Строго вертикальные изображения очень легко уместить в стопку пикселов, равно как и строго горизонтальные, вот только снять так практически невозможно, и если прямая линия переходит в изображении с одной строки на вторую, третью, она будет пикселами разных рядов или линий «ломаться», что решили исправить сглаживающим фильтром. Итогом стало дополнительное размытие картинки. А что, собственно, ужасного, если изначально там четкости всего на четверть площади мегапикселов, а остальное и без того додумываются (размывается, то есть)? В результате, естественно, резкость все равно теряется. Со временем пиксельность камер только росла, и сегодня, когда выпускаются, к примеру, 36-мегапиксельные монстры, вроде Nikon D800, им ставят более тонкий сглаживающий фильтр — в результате и резкость (не программная, а фактическая) вырастает.

Сегодня модель байера постепенно устаревает — строгое геометрическое расположение рядов пикселей, необходимость установки сглаживающего фильтра, съедающего детализацию уже не устраивают пользователей, им чего-то новенького хочется. Естественно, не всем, поэтому на рынке начали появляться направления, которые, по всей видимости, со временем найдут применение во все увеличивающемся количестве камер, так как имеют уникальный подход.

Возьмем упомянутую выше Nikon D800E — его старший брат-мутант, который был сделан стараниями маркетологов, которым необходимо продать куда большую плотность пикселов (ведь технологические процессы идут именно к уменьшению размера точки изображения), чем фотографов, стал уже детищем последних. Вдумайтесь сами, если фотоаппарат выходит на разрешение, на котором муар уже не столь заметен, равно как и пикселизация кривых линий — можно избавиться и от сглаживающего фильтра, чтобы повысить резкость, верно? Тут решили пока пойти на компромисс, сделав его просто тоньше.

Pentax K-5 IIs — тоже разновидность своей старшей сестры, камера, сделанная простым исключением сглаживающего фильтра из уравнения тоже в результате должна дать большую резкость, что, при прочих замечательных характеристиках (высокая влагозащита, портативность, функциональность, цена), сулит обладателю кучу бонусов.

Fujifilm X-Pro1, X-E1 — камеры, сделанные на небайеровской матрице, отчего вообще не имеют сглаживающего фильтра. Даже при относительно небольшом разрешении им это попросту не требуется, так как проблема муара и пикселизации перед ними не стоит. Итогом становится замечательная резкость, которую видно невооруженным глазом. Собственно, она здесь не взялась ниоткуда — просто инженеры решили дать людям не самые дешевые, но очень хорошие решения, естественно, дороже конкурентных аналогов, если они, конечно, есть.

Sigma DP — камеры небайеровского типа изначально. Трехслойная матрица Foveon, которая является развитием идеологии трех матриц, изначально качественно выше по реальному разрешению (а не интерполированному), отчего проблем с передачей данных о цвете и муаром и пикселизацией у нее не существует. Проблемой является только несовершенство самого технологического процесса при производстве матриц, на который и приходится львиная доля критики.

Понятно, что после появления такого нового подхода к резкости на это поведутся практически все производители фотоаппаратов, в особенности, наиболее ориентирванные на запросы рынка (Sony, Samsung). Последние уже будут думать не столько о том, что это действительно нужно (а нужно это, на деле, не более чем 10% фотографов с зеркалками), сколько о том, что «у них есть, у нас нет» и будут копировать подход, просто для того, чтобы занять измерительные приборы их аудитории. В общем, детище Брайса Байера хот и сыграло существенную роль в экономике в историческом плане, сегодня начинает сдавать свои позиции, и со временем, возможно, вообще уйдет в прошлое.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *