, видеокамер и сканеров . Фильтр Байера состоит из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов, расположенных как показано на рисунке.

Исторически это самый первый из массивов цветных фильтров. Назван по имени его создателя, доктора Брайса Э. Байера (англ. Bryce Bayer ), сотрудника компании Kodak , запатентовавшего предложенный им фильтр в 1976 г. Для отличия от других разновидностей его называют GRGB , RGBG , или (если надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB .

Принцип работы

Матрица является устройством, воспринимающим спроецированное на него изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, для воспринятия цветного изображения каждый фотоприемник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного, синего (цветовая модель RGB).

Вследствие использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает лишь 1/3 цветовой информации участка изображения, а 2/3 отсекается фильтром. Для получения остальных цветовых компонентов используются значения из соседних ячеек. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерполяции (по алгоритму demosaicing). Таким образом, в формировании конечного значения цветного пикселя участвует 9 или более фотодиодов матрицы.

В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:

При этом фотодиодов зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше, чем фотодиодов других цветов, в результате разрешающая способность такой структуры максимальна в зелёной области спектра, что соответствует [ ] особенностям человеческого зрения.

Изменения в структуре расположения

Для снижения заметности артефактов дебайеризации были разработаны модифицированные фильтры Байера, содержащие изменения, «разбавляющие» однородную периодическую структуру «неправильным» расположением части цветных пикселей. Вместо минимального 4-пиксельного элемента матрицы повторяется 12- или 24-пиксельный. Однако они не нашли массового применения из-за значительного роста необходимой вычислительной мощности для обработки полученного изображения.

Пример применения

Сфотографируем исходный объект (для наглядности его часть увеличена):

→

При этом получаются три цветовые составляющие:

	↓
	↓

Таким образом, мы получили изображение, каждый пиксель которого содержит только одну цветовую составляющую одной из предметных точек, спроецированных на него объективом. И только 4 предметных точки, рядом расположенных и спроецированных объективом на блок пикселей RGGB, приближенно формируют полный набор RGB 1-й усредненной предметной точки. Далее, процессор камеры должен, используя специальные математические методы интерполяции, рассчитать для каждой точки недостающие цветовые составляющие. В результате получается следующее изображение:

Как видно на картинке, это изображение получилось более размытым, чем исходное. Такой эффект связан с потерей части информации в результате работы фильтра Байера. Для исправления процессор фотоаппарата должен повысить чёткость изображения. Процесс искусственного повышения чёткости называется Sharpening . Дополнительно, в этот момент процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять цифровой шум и т. д. в зависимости от модели аппарата. Получение более чётких изображений в первую очередь достигается увеличением количества пикселей сенсора, что уменьшает его размытость. Так как вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере. Чем дешевле фотоаппарат, тем меньше возможностей повлиять на эти функции. В профессиональных фотокамерах функции коррекции изображения отсутствуют совсем либо их можно выключить.

Используемые в цифровой фотографии . Фильтр Байера назван в честь его создателя, доктора Брайса Байера (англ. Bryce Bayer ), Сотрудника компании Kodak . Фильтр используется в фотосенсор цифровых фотоаппаратов , видеокамер и сканеров для получения цветного изображения.

Массив фильтра состоит из 25% красных элементов, 25% синих и 50% зеленых элементов. Поэтому его часто называют GRGB или RGBG.

Принцип работы

В результате использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает только яркость только одного цветового компонента, другие два отсекаются фильтром. Для получения цветовых компонент используются значения из соседних ячеек, которые содержат информацию об отсутствующих цветовые составляющие, с помощью интерполяции (по алгоритму demosaicing) Итак, при считывании цветного изображения каждой предметной точки участвуют минимум три ячейки фотосенсора с потерями 2/3 цветовых компонент в каждом.

Из-за потери части информации в результате работы фильтра Байера, изображения более размытым, чем исходное. Для исправления процессор фотоаппарата повышает четкость изображения. Процесс искусственного повышения четкости называется Sharpening. Дополнительно, процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять цифровой шум и т.д.. в зависимости от модели аппарата. Получение четких изображений прежде всего достигается увеличением количества пикселей сенсора . Поскольку вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере.

Последние модели профессиональных и полупрофессиональных цифровых фотоаппаратов позволяют записывать изображение в т. н. "Сыром" RAW -формате, где изображение записывается как набор яркости в каждом диоде, т.е. в черно-белом виде, не неся никакой цветовой формы, и в файл записываются данные, полученные прямо с матрицы, в процессе интерполяции формируют изображение на компьютере, с возможностями ручного управления параметрами преобразований.

В настоящее время для получения цветной фотографии свет от объекта запоминается как сумма минимум трех цветов - красного, зелёного и синего, цветовая модель RGB. Так как по своей природе фотодетекторы матрицы чувствительны во всем видимом диапазоне спектра, то над каждым матрицы размещается цветной одного из трёх основных цветов - красного (R), зелёного (G) и синего (B). Таким образом, каждая ячейка матрицы воспринимает только 1/3 часть приходящего , а другие 2/3 рассчитываются процессором камеры на основе данных соседних ячеек. Этот процесс называется . В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:

При этом получаются три цветовые составляющие:

Таким образом, мы получили изображение, каждый пиксель которого содержит только одну цветовую составляющую. Далее, процессор камеры должен, используя специальные математические методы интерполяции, рассчитать для каждой точки недостающие цветовые составляющие. В результате получается следующее изображение:

Как видно на картинке, это изображение получилось более размытым, чем исходное. Такой эффект связан с потерей части информации в результате работы фильтра Байера. Для исправления процессор фотоаппарата должен повысить чёткость изображения. Процесс искусственного повышения чёткости называется Sharpening . Дополнительно, в этот момент процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять и т. д. в зависимости от модели аппарата. Так как вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере. Чем дешевле фотоаппарат, тем меньше возможностей повлиять на эти функции. В профессиональных фотокамерах они отсутствуют совсем, либо их можно выключить.

Последние модели профессиональных и полупрофессиональных цифровых фотоаппаратов позволяют записывать изображения в т. н. «сыром» RAW-формате, когда изображение не подвергается внутри камеры вообще никакой обработке, а в записываются данные, полученные напрямую с матрицы, т. е. процесс интерполяции, повышение чёткости, подавление шума и другие операции с изображением выполняются на компьютере, обладающем намного большей вычислительной мощностью и возможностями ручного управления параметрами преобразований.

Альтернативы, достоинства, недостатки

Альтернативой фильтру Байера являются три матрицы с системой дихроичных зеркал или дихроичных призм. Зеркала раскладывают свет на составляющие (красный, зелёный, синий), после чего каждая из составляющих идёт на свою матрицу. Такая конструкция применяется в некоторых , но не встречается в фотоаппаратах.

Достоинства фильтра Байера:

• простота и компактность;
• к трёхматричной системе невозможно присоединить ;
• для обеспечения сходного качества изображения нужно меньше пикселей. В частности, трёхмегапиксельная камера с фильтром Байера даёт заметно лучшее изображение, чем камера с тремя матрицами по 1 Mpx;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведения цветов.

Достоинства трёх матриц:

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного ;
• выше светочувствительность.

Также иногда применяются CYGM-фильтры:

Такой фильтр даёт бо́льшую светочувствительность, но худшую цветопередачу.

Проблемы, присущие фильтрам Байера, призвано решить новое поколение цифровых светочувствительных матриц - компании , в которых каждый пиксель состоит из трёх слоев, каждый из которых воспринимает свой цвет. Однако, в настоящее время (начало 2005 года) эти матрицы, в силу присущих им других технических недостатков (например, высокого уровня ), занимают незначительную часть рынка цифровой фототехники.

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 - 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.

Фильтр Байера состоит из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов, расположенных как показано на рисунке.

Исторически это самый первый из массивов цветных фильтров. Назван по имени его создателя, доктора Брайса Э. Байера (англ. Bryce Bayer ), сотрудника компании Kodak , запатентовавшего предложенный им фильтр в 1976 г. Для отличия от других разновидностей его называют GRGB , RGBG , или (если надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB .

Принцип работы

Матрица является устройством, воспринимающим спроецированное на него изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, для воспринятия цветного изображения каждый фотоприемник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного, синего (цветовая модель RGB).

Вследствие использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает лишь 1/3 цветовой информации участка изображения, а 2/3 отсекается фильтром. Для получения остальных цветовых компонент используются значения из соседних ячеек. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерполяции (по алгоритму demosaicing) Таким образом, в формировании конечного значения цветного пиксела участвует 9 или более фотодиодов матрицы.

В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:

При этом фотодиодов зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше, чем фотодиодов других цветов, в результате разрешающая способность такой структуры максимальна в зелёной области спектра, что соответствует особенностям человеческого зрения.

Изменения в структуре расположения

Для снижения заметности артефактов дебайеризации были разработаны модифицированные фильтры Байера, содержащие изменения, «разбавляющие» однородную периодическую структуру «неправильным» расположением части цветных пикселей. Вместо минимального 4-х пиксельного элемента матрицы повторяется 12- или 24-пиксельный. Однако они не нашли массового применения из-за значительного роста необходимой вычислительной мощности для обработки полученного изображения.

Пример применения

Сфотографируем исходный объект (для наглядности его часть увеличена):

→

При этом получаются три цветовые составляющие:

	↓
	↓

Таким образом, мы получили изображение, каждый пиксель которого содержит только одну цветовую составляющую одной из предметных точек, спроецированных на него объективом. И только 4 предметных точки, рядом расположенных и спроецированных объективом на блок пикселей RGGB, приближенно формируют полный набор RGB 1-й усредненной предметной точки. Далее, процессор камеры должен, используя специальные математические методы интерполяции, рассчитать для каждой точки недостающие цветовые составляющие. В результате получается следующее изображение:

Как видно на картинке, это изображение получилось более размытым, чем исходное. Такой эффект связан с потерей части информации в результате работы фильтра Байера. Для исправления процессор фотоаппарата должен повысить чёткость изображения. Процесс искусственного повышения чёткости называется Sharpening . Дополнительно, в этот момент процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять цифровой шум и т. д. в зависимости от модели аппарата. Получение более чётких изображений в первую очередь достигается увеличением количества пикселей сенсора, что уменьшает его размытость. Так как вычислительная мощность процессора фотоаппарата ограничена, многие фотографы предпочитают делать эти операции вручную на персональном компьютере. Чем дешевле фотоаппарат, тем меньше возможностей повлиять на эти функции. В профессиональных фотокамерах функции коррекции изображения отсутствуют совсем, либо их можно выключить.

Недостатки

История, аналоги

Фильтр Байера и расположение световоспринимающих элементов в одной плоскости ведут своё происхождение от растрового способа цветной фотографии .

В душе Пьера теперь не происходило ничего подобного тому, что происходило в ней в подобных же обстоятельствах во время его сватовства с Элен.
Он не повторял, как тогда, с болезненным стыдом слов, сказанных им, не говорил себе: «Ах, зачем я не сказал этого, и зачем, зачем я сказал тогда „je vous aime“?» [я люблю вас] Теперь, напротив, каждое слово ее, свое он повторял в своем воображении со всеми подробностями лица, улыбки и ничего не хотел ни убавить, ни прибавить: хотел только повторять. Сомнений в том, хорошо ли, или дурно то, что он предпринял, – теперь не было и тени. Одно только страшное сомнение иногда приходило ему в голову. Не во сне ли все это? Не ошиблась ли княжна Марья? Не слишком ли я горд и самонадеян? Я верю; а вдруг, что и должно случиться, княжна Марья скажет ей, а она улыбнется и ответит: «Как странно! Он, верно, ошибся. Разве он не знает, что он человек, просто человек, а я?.. Я совсем другое, высшее».
Только это сомнение часто приходило Пьеру. Планов он тоже не делал теперь никаких. Ему казалось так невероятно предстоящее счастье, что стоило этому совершиться, и уж дальше ничего не могло быть. Все кончалось.
Радостное, неожиданное сумасшествие, к которому Пьер считал себя неспособным, овладело им. Весь смысл жизни, не для него одного, но для всего мира, казался ему заключающимся только в его любви и в возможности ее любви к нему. Иногда все люди казались ему занятыми только одним – его будущим счастьем. Ему казалось иногда, что все они радуются так же, как и он сам, и только стараются скрыть эту радость, притворяясь занятыми другими интересами. В каждом слове и движении он видел намеки на свое счастие. Он часто удивлял людей, встречавшихся с ним, своими значительными, выражавшими тайное согласие, счастливыми взглядами и улыбками. Но когда он понимал, что люди могли не знать про его счастье, он от всей души жалел их и испытывал желание как нибудь объяснить им, что все то, чем они заняты, есть совершенный вздор и пустяки, не стоящие внимания.
Когда ему предлагали служить или когда обсуждали какие нибудь общие, государственные дела и войну, предполагая, что от такого или такого исхода такого то события зависит счастие всех людей, он слушал с кроткой соболезнующею улыбкой и удивлял говоривших с ним людей своими странными замечаниями. Но как те люди, которые казались Пьеру понимающими настоящий смысл жизни, то есть его чувство, так и те несчастные, которые, очевидно, не понимали этого, – все люди в этот период времени представлялись ему в таком ярком свете сиявшего в нем чувства, что без малейшего усилия, он сразу, встречаясь с каким бы то ни было человеком, видел в нем все, что было хорошего и достойного любви.
Рассматривая дела и бумаги своей покойной жены, он к ее памяти не испытывал никакого чувства, кроме жалости в том, что она не знала того счастья, которое он знал теперь. Князь Василий, особенно гордый теперь получением нового места и звезды, представлялся ему трогательным, добрым и жалким стариком.