Шумы кмоп-матрицы
В каждом из элементов матрицы присутствуют преобразователь заряд-напряжение и компоненты, предназначенные для считывания напряжения. Как любые электронные устройства, эта "обвязка" при обработке сигнала добавляет к нему помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого пикселя матрицы уровень электронного шума разный.
Для борьбы с электронным шумом применяется технология активных пикселей. В матрицах, использующих эту технологию, напряжение, полученное после преобразования заряда, подается на вход усилителя, встроенного в каждый пиксель. Так снижается влияние электронного шума, подмешиваемого той частью "обвязки", которая отвечает за считывание сигнала.
Регистрация цвета в цифровой фотокамере
ПЗС-элемент может регистрировать яркость точки изображения, сгенерированного объективом, но не в состоянии определить его цвет. Поскольку чёрно-белая фотография имеет в основном техническое и художественное применение, производители цифровой фототехники постоянно разрабатывают новые и совершенствуют имеющиеся схемы регистрации цвета. Рассмотрим эти схемы.
Мозаичные фильтры.
При генерации цветного изображения любое техническое устройство использует цветовой синтез, то есть процесс, при котором смешиваются несколько монохромных (состоящих из оттенков только одного цвета – синего, жёлтого и так далее) сигналов, описывающих изображение в цифровой либо аналоговой форме. Цвет каждого из монохромных сигналов называется основным, так как совокупность сигналов различной интенсивности позволяет воссоздать любой оттенок из всего множества цветов, воспроизводимых посредством данной разновидности синтеза. Наиболее распространены два вида синтеза – аддитивный и субтрактивный.
При аддитивном синтезе основными цветами являются цвета излучений. В частности, при трёхцветном синтезе используются синий (blue – B), зелёный (green – G) и красный (red – R) цвета, а сам синтез обозначается английской аббревиатурой RGB. Эти цвета линейно независимы, то есть ни один из них не может быть получен из двух других путём оптического смешения излучений. С помощью данного смешения синтезируются все другие цвета, которые отличают по цветовому тону, насыщенности и светлоте.
Субтрактивный синтез связан с процессами поглощения и отражения белого света, и потому он использует цвета красителей. При трёхцветном субтрактивном синтезе основными цветами являются жёлтый (yellow – Y), пурпурный (magenta – M) и циановый (зелёно-голубой, cyan – C), а для его обозначения используется аббревиатура CMY. В субтрактивном синтезе основной цвет считается дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если краситель первого полностью поглощает излучение второго. К примеру, к красному цвету дополнительным будет циановый, к синему – жёлтый, а к зелёному – пурпурный.
Для регистрации цветного изображения в современных фотоаппаратах используются мозаичные фильтры (другое название — массив цветных фильтров CFA, Color filter array) и последующей математической обработки сигналов изображения в цифровых процессорах. В их основе лежит принцип: каждая точка регистрирующего элемента благодаря светофильтру фиксирует яркость только одного основного цвета.
Большинство современных цветных сенсоров обладают матрицей Bayer с расположенными непосредственно над пикселями в определенном порядке фильтрами красного, зеленого и синего цветов. Эта технология регистрации цвета разработана в 1976 году доктором Брайсом Байером, сотрудником компании Eastman Kodak.
Рассмотрим более подробно стандартную матрицу Bayer [9]. Фильтрующий элемент, расположенный над каждым пикселем, выделяет из общего светового потока зеленый, красный либо синий цвета (рис. 10). Основным цветом является зеленый, как наиболее воспринимаемый человеческим зрением и предоставляющий 50% всей информации картины. Этот канал цвета — основа для восстановления конечного изображения, так как он обеспечивает пространственную составляющую сцены, на которую накладываются оставшиеся два цвета. Так как зеленые, синие и красные пиксели разбросаны по всей матрице в определенном порядке, то для создания трех шаблонов наложения используется алгоритм, называемый demosaicking (в дословном переводе — «разрушение структуры мозаики»). При помощи довольно сложных алгоритмов интерполяции величин яркости соседних пикселей процессор камеры рассчитывает значения координат двух недостающих цветовых каналов для каждого пикселя изображения. И только после этого фотография становится цветной
В 2007 году компания Kodak анонсировала новую конструкцию цветных фильтров, названную Truesense, основная цель которой — увеличить фотометрическую чувствительность прибора. Эта технология представляет собой развитие стандартной матрицы Bayer с добавлением в нее дополнительных панхроматических пикселей (элементы без светофильтров).
Рассмотрим конструкцию фильтра Truesense компании Kodak, использующую в отличие от обычной матрицы Bayer красную, зеленую, синюю и панхроматическую составляющие (рис. 11) [9]. RGB-фильтр, являясь преградой для большей части спектра, выбирает из него только узкие участки. Тем самым огромная составляющая полезного (с точки зрения информации) светового потока теряется, а мы получаем исключительно цветовую характеристику изображения. Панхроматические пиксели в свою очередь поглощают весь падающий на них свет, регистрируя распределение яркостной составляющей сцены. Следует отметить, что расположение панхроматических пикселей в фильтре Truesense такое же, как зеленых пикселей в матрице Bayer. Поэтому они также представляют собой базис для формирования конечного изображения.
Рис. 10. Схема Bayer
Рис. 11. Различные варианты построения фильтра Truesense.
Алгоритм обработки цветного изображения, запечатленного через фильтр Truesense, такой же, как и для ПЗС с обычной матрицей Bayer. В обоих случаях яркостная информация финальной сцены сгенерирована половиной пикселей (панхроматических в Truesense и зеленых — в RGB), в то время как информацию о цвете несут все RGB-пиксели матрицы (соответственно, половина всех пикселей в Kodak Truesense и все пиксели в матрице Bayer). В отличие от обычных фильтров Bayer, матрицы, оборудованные панхроматическим каналом, обладают дополнительными возможностями по улучшению визуального восприятия сцены. Упрощенная схема обработки изображения с использованием фильтра Truesense представлена на рис. 12.
Ряд производителей использует для мозаичного светофильтра субтрактивную схему, в которой применяется CMY-синтез. В качестве дополнительного цвета используется зеленый, поэтому схема эта обозначается C–Y–G–M. Появление зелёных светофильтров обусловлено теми же, что и в аддитивной схеме, причинами – чувствительностью к зелёному человеческого зрения и ПЗС-матрицы. Субтрактивные схемы отличаются более точной передачей яркостной характеристики изображения, однако при этом они менее точно регистрируют цветовую составляющую снимка.
Рис. 12. Порядок обработки изображения для матрицы Truesense
Рассмотрим принципы цветового кодирования, используемые в цветных матрицах Sony Semiconductors [2]. Над каждым светочувствительным элементом ПЗС-матрицы под микролинзой размещены мозаичные фильтры, каждый из которых может пропускать только определенные цвета: Ye — желтый фильтр — пропускает красный и зеленый цвета (синий подавляется), Cy — сине-зеленый фильтр — пропускает синий и зеленый цвета (красный подавляется), G —зеленый фильтр — пропускает зеленый цвет (красный и синий подавляются), Mg — пурпурный фильтр — пропускает красный и синий цвета (зеленый подавляется). Ячейки мозаичного фильтра расположены группами по 16 элементов, так, как это показано на рис. 13. Сдвиг зарядов в горизонтальный регистр производится парами А1 и А2 в нечетных полях и В в четных поля.
В результате на выходе горизонтального регистра последовательно во времени чередуются электрические отклики, вызванные световым излучением различных цветов. В строках А1 цвета следуют в порядке (G+Cy), (Mg+Ye), (G+Cy). Полученные сигналы в дальнейшем используются для формирования яркостного Y и цветоразностного R–Y сигналов путем суммирования и вычитания соседних сигналов следующим образом:
Y = {(G+Cy)+(Mg+Ye)}.1/2 = 1/2{2B+3G+2R}; R–Y = {(Mg+Ye)–(G+Cy)} = 2R–G.
В строках А2 цвета следуют в порядке (Mg+Cy), (G+Ye), (Mg+Cy), (G+Ye). Полученные сигналы в дальнейшем используются для формирования яркостного Y и цветоразностного B–Y
сигналов также путем сложения и вычитания соседних сигналов следующим образом:
Y = {(G+Ye)+(Mg+Cy)}.1/2 = 1/2{2B+3G+2R}; –(B–Y) = {(G+Ye)+(Mg+Cy)}.
Рис. 13. Схема цветового кодирования ПЗС-матриц фирмы Sony.
Такой же алгоритм обработки сигналов используется и для четных полей В. Все операции производятся в цифровом сигнальном процессоре после преобразования выходного сигнала ПЗС-матриц в 8-разрядном АЦП.