matryce.pdf

Matryce cyfrowe

Marcin Jarzyński

Paweł Korniowski

Paweł Martenka

Słowem wstępu

Zapewne większość czytelników tego artykułu posiada jakieś urządzenie z

matrycą cyfrową. Może zupełnie bez zastanowienia używa go na codzień. Warto teraz zajrzeć

do kieszeni i wyjąć komórkę z aparatem, a może aprat cyfrowy leży w plecaku? Technika

cyfrowa stała się wszechobecna, tak jak wszechobecne stały się matryce cyfrowe.

Rodzaje matryc - technologie

CCD i CMOS

Historia

Fotografia cyfrowa nie ma sprecyzowanej daty powstania, ale koniec lat

sześćdziesiątych jest najbliższy temu wydarzeniu. Wtedy to różni naukowcy odkryli, że

układy CMOS 1 można uczynić światłoczułymi. Natomiast układ CCD 2 został wynaleziony

pod koniec 1969 roku w Bell Labs (USA) przez dr. Willarda S. Boyla oraz dr. Georgea E.

Smitha. Jakość obrazu była tak dobra, że szybko wyparła CMOS. Jednakże, CCD jest bardziej

wrażliwa na promieniowanie niż CMOS. Dlatego ten fakt przyczynił się do ponownych badań

oraz dynamicznego rozwoju nad czujnikami obrazu CMOS, dzięki środkom finansowym

rządu oraz wojska.[9]

Technologia

Matryca CCD jest to krzemowy układ elektroniczny, pokryty niewielkimi

elektrodami, zwanymi komórkami CCD. Są one ułożone w taki sposób, że ich kształt

przypomina siatkę, w której jedna komórka odpowiada jednemu pikselowi obrazu.

Przetwornik CCD, jak i CMOS wykorzystują tą samą zasadę fizyczną - zjawisko

fotoelektryczne. Polega to na tym, że światło padając na matrycę powoduje grupowanie

elektronów na powierzchni siatki komórek. Jeżeli do konkretnej komórki dociera

odpowiednio dużo światła, to dzięki temu w tym miejscu zostaje zgrupowanych więcej

elektronów. Gdy matryca zostanie naświetlona, wykonywany jest - dla każdej komórki z

osobna – pomiar napięcia. W wyniku tego pomiaru otrzymujemy informację o ilości

zgromadzonych elektronów w danej komórce. Następnie dane te są przetwarzane w

przetworniku analogowo-cyfrowym do postaci cyfrowej.

W tym momencie zaczynają się różnice pomiędzy przetwornikami CCD i CMOS.

W CCD mierzona jest wartość zgromadzonego ładunku elektrycznego, z kolei w CMOS-ie

ten sam ładunek steruje przepływem prądu przez zespół tranzystorów (wzmacniacz)

1 CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductors ) - technologia wytwarzania układów scalonych,

głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych

w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich.

2 CCD – Charge Coupled Device

podłączonych, a dokładniej zintegrowanych bezpośrednio z fotodetektorem.

W przeciągu dobrych kilku lat opracowano kilka rodzajów matryc.

Najpowszechniej stosowaną matrycą jest CCD, która składa się z prostokątnych,

umieszczonych obok siebie komórek. Każda z nich rejestruje natężenie padającego na nią

światła, a informacje zebrane ze wszystkich fotokomórek pozwalają na utworzenie

monochromatycznego obrazu o rozdzielczości zbliżonej do liczby wszystkich znajdujących

się na powierzchni CCD detektorów. Aby móc rejestrować obraz kolorowy, poszczególne

komórki pokrywa się filtrem o barwie czerwonej (R), zielonej (G) lub niebieskiej (B). „W

2003 roku Sony opracowało udoskonalony model CCD, wzbogacony filtrem o barwie

szmaragdowej, który umieszczono w miejscu nadwyżkowego zielonego. Powstał sensor o

równomiernym rozmieszczeniu filtrów - RGBE (litera E pochodzi od słowa "emerald" -

szmaragd), mogący poszerzyć zakres dobrze odwzorowywanych barw.”[5]

Rys. 1 Matryca RGBG, RGBE, CMYG

Najbardziej popularny jest filtr mozaikowy wykorzystujący tzw. wzór Bayera

(RGBG). Jak widać na ilustracji, co drugi element tego filtru jest zielony. Wynika to z faktu,

że ludzkie oko jest najbardziej czułe na światło z zakresu zieleni. Poszczególne elementy

filtru ułożone są w taki sposób, aby każdy z nich znajdował się dokładnie nad odpowiednim

czujnikiem.

Rys. 2 Separacja kolorów i przekrój przez matrycę – od góry: soczewki, filtry, detektory

Przez filtr czerwony przechodzi najwięcej światła czerwonego. Analogicznie w

przypadku filtru zielonego i niebieskiego. Proces ten określa się mianem separacji kolorów.

Należy mieć jednak świadomość, iż przez filtr o barwie np. zielonej przechodzi również

pewna dawka światła niebieskiego i zielonego.

Rys. 3 wzór filtrów czerwonych;wzór filtrów zielonych;wzór filtrów niebieskich

Samo wyposażenie poszczególnych detektorów w filtry RGBG (lub RGBE) nie

zapewnia poprawnej rejestracji barw fotografowanego obrazu. Dane z wszystkich

fotokomórek bezpośrednio mają wpływ na jasność tworzonego później piksela obrazu.

Informacja o jasności z poszczególnych komórek pozwala na utworzenie wyłącznie obrazu

czarno-białego. Zastosowanie filtru R, G, B, czy E daje możliwość pobrania tylko części

informacji o barwie tworzonego piksela i aby miał właściwą, należy pobrać informacje od

sąsiadujących fotokomórek, wyposażonych w inny filtr. W związku z tym, podczas tworzenia

barwy każdego piksela obrazu mamy do czynienia z interpolacją – dane o kolorze opierają się

na pomiarach pochodzących z czterech sąsiadujących fotodetektorów.

Ciekawe rozwiązanie zaproponował Canon, który w serii aparatów PowerShot

stosuje filtry w kolorach Cyan, Magenta, Yellow - czyli używanych w druku, gdzie mamy do

czynienia z substraktywnym 3 mieszaniem barw. Aby umożliwić obróbkę obrazu, użyty jest

także filtr zielony, który służy do uzyskania informacji o jaskrawości obrazu.

Aparaty cyfrowe wyposażone są najczęściej w jeden z dwóch typów matryc: CCD

lub CMOS. W przypadku matrycy CCD, praktycznie cały obszar przeznaczony do rejestracji

obrazu jest przeszukiwany celem możliwie najbardziej szczegółowego odwzorowania

kolorów. Następuje to w sposób szeregowy – poszczególne linie (rejestry) przylegających do

siebie czujników przekazują sobie zarejestrowane dane. Na końcu każdego szeregu tworzą się

swoiste węzły, które z kolei również w sposób szeregowy przesyłają informacje dalej celem

ostatecznej analizy uśredniającej. Taki sposób rejestracji obrazu wymaga oczywiście od

aparatu pewnej dawki czasu, która decyduje o tym jak szybko będzie można wykonać

następne zdjęcie. Technologia CCD jest stosunkowo niedroga lecz nie pozwala na

wszechstronność zastosowania w odróżnieniu od technologii CMOS. Ponadto CCD daje

dobrej jakości, czysty sygnał, ale pracuje przy stosunkowo wysokim napięciu zmiennym,

toteż – jak nietrudno się domyślić – nie zalicza się do energooszczędnych rozwiązań.

Rys. 4 Budowa matrycy CMOS

Matryca typu CMOS rejestruje obraz w nieco inny sposób. Każdy jej element

zapisuje obraz oddzielnie. Do tak uzyskanych danych można dotrzeć poprzez podanie

współrzędnych danego elementu. Zwiększa to wszechstronność matrycy ponieważ może ona

zostać wykorzystana nie tylko do rejestracji obrazu, lecz także do określenia parametrów

naświetlenia, a nawet automatycznego ustawiania ostrości. Matryce typu CMOS

produkowane są w tym samym procesie technologicznym co procesory i pamięci RAM

dlatego mogą być wzbogacone w łatwy sposób o dodatkowo zintegrowane w układzie

obwody. Stosowanie tej samej technologii to też niższe koszty. Jeszcze większego kolorytu w

dyskusji na temat wyboru matrycy dodaje fakt, że typ CMOS pracuje przy stałym, niższym

niż typ CCD napięciu.

3 Takie powstawanie barw można porównać z barwnymi płytami, które część barw przepuszczają a część nie

(czyli pewien fragment widma jest odejmowany od całości).

Pozostałe typy matryc CCD i CMOS spotykane w aparatach cyfrowych

Fujifilm Super CCD HR

Punkty światłoczułe w matrycy opracowanej przez firmę Fujifilm również

ułożono we wzór Bayera. Przekręcony on jednak został o 45 stopni, a każda komórka ma

kształt ośmiokąta, co pozwoliło na ich gęstsze upakowanie. Zaletą matrycy Super CCD HR

jest łatwiejsze interpolowanie rozdzielczości obrazu.[7]

Fujifilm Super CCD SR

W matrycy tej konstruktorzy firmy Fujifilm podzielili ośmiokątny obszar

światłoczuły na dwa podobszary nazwane elementem S i R. Pierwszy z nich, zajmujący 3/4

powierzchni detektora, odpowiada za rejestrację małych natężeń światła, a drugi, mniejszy -

dużych, gdyż ma o 400% wyższy próg nasycenia. Dzięki temu możliwe jest po połączeniu

obrazu z obu rodzajów czujników wykonywanie zdjęć, w których zarówno słabo, jak i silnie

doświetlone elementy sceny są dobrze widoczne.[7]

Fujifilm Super CCD SR II

Kolejna gineracja matryc firmy Fujifilm (przetwornik ten wykorzystuje się w

aparacie FinePix S3 Pro), w której element R znalazł się poza ośmiokątnym obszarem

głównego detektora. Dzięki temu zabiegowi udało się jeszcze bardziej zwiększyć rozpiętość

tonalną pomiędzy jasnymi i ciemnymi obszarami fotografowanej sceny.[7]

Rys. 5 Matryce: HR, SR i SR2

Firma Fuji nadal pracuje nad rozwojem matryc CCD. Kolejna matryca, o jeszcze

nieznanej nazwie, ma się składać z kilku warstw. Niewątpliwie producent chce stworzyć

urządzenie zdolne do rejestracji obrazu tak jak klisza kolorowa.[7]

Sony Super HAD CCD

Jak wspomniano wcześniej, matryce tego typu stosują mozaikę RGBE z

dodatkowym kolorem emerald (szmaragdowy). Matryce wykonane w tej technologii

charakteryzują się również większymi elementami światłoczułymi.[7]

Foveon X3

Wydaje się, że przeniesienie idei kliszy na grunt techniki cyfrowej jest naturalne.

Jednak jak się okazało trzeba było czekać wiele lat na realizację praktyczną tego starego

pomysłu.

Klisza w swej budowie składa się z trzech warstw światłoczułych, przy czym

każda warstwa rejestruje oddzielny kolor. Teoretyczny piksel (kryształki soli srebrowych)

takiej kliszy rejestruje wszystkie składowe barw. Dzięki temu klisze są nadal bardzo dobre,

potrafią rejestrować naprawdę dużo szczegółów, a wykonanie odbitek wielkości plakatu (z

klatki małoobrazkowej) nie stanowi większego problemu.

Rys. 6 Technologia X3 – schematyczny, pojedynczy piksel

W 1999 roku firma Foveon opatentowała matrycę X3. Jej budowa jest

analogiczna do budowy kliszy. Składa się z trzech warstw pikseli, gdzie każda warstwa

rejestruje jedną z trzech barw RGB. Dzięki temu każdy piksel od razu otrzymuje pełny zestaw

kanałów RGB – pierwsza zaleta – nie potrzeba software'owej interpolacji obrazu.

Ponieważ nie potrzeba interpolacji, to obraz jest ostrzejszy, barwy są lepiej

odwzorowane, nie ma przekłamań kolorystycznych. Oczywiście sama budowa aparatu się

upraszcza, ponieważ dane z takiej matrycy mają wyższy poziom opracowania i nie potrzeba

wsparcia oprogramowania do generacji bitmapy.

Prawdopodobnie aparaty z tą matrycą działają szybciej – jest mniejsze opóźnienie

między wciśnięciem spustu migawki a zapisem danych, ponieważ dane nie wymagają tak

rozbudowanej obróbki.

W matrycach X3 zastosowano ciekawą technologię zmiennej wielkości piksela.

Kiedy zdjęcia są wykonywane w mniejszej rozdzielczości, to piksele są układane w grupy

(np. 4X4 punkty) i następnie traktowane jak jeden piksel. Dzięki temu zwiększa się

światłoczułość, a zmiejsza poziom szumów.

Niestety rozwiązanie Foveona nie jest idealne. Matryce tej konstrukcji są

stosunkowo drogie. Nie radzą sobie zbyt dobrze w kiepskich warunkach oświetleniowych –

do ostatniej warstwy dociera mało światła.

Matryce Foveona mają mniejszą liczbę efektywnych pikseli. Pojawia się tu pewna

niekonsekwencja w opisywaniu matryc. Mówiąc o matrycy CCD lub CMOS, że ma 4 Mpix 4 ,

to mamy na myśli 4 miliony punktów. Wiadomo, że tak naprawdę 4 punkty tworzą jeden

efektywny piksel (RGBG), więc nagle taka matryca ma rozdzielczość 1 Mpix (4 Mpix/4).

Reasumując 4 Mpix to wartość interpolowana! Patrząc z drugiej strony jeśli matryca X3 ma

rozdzielczość 3 Mpix to dla porównania z CCD lub CMOS powinniśmy wartość tą pomnożyć

4 Mpix – mega piksele – jednostka rozdzielczości matryc; 1 Mpix – matryca o rozdzielczości 1 miliona pikseli

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: