Foto

5. Niezbędne dodatki... czy na pewno?

Poznaliśmy działanie matrycy światłoczułej. Jednak stosowana w aparacie cyfrowym matryca to nie tylko płytka półprzewodnikowa z naniesionymi na nią pikselami. Aby poprawnie rejestrowała obraz w fotografii konieczne jest zapewnienie jej odpowiedniego źródła światła. Oprócz wspomnianych mikrosoczewek, znajdujących się przed każdym pikselem, umieszcza się tu dodatkowo specjalne filtry (niezależnie od typu detektora). Pełnią one różną rolę - zabezpieczają przed uszkodzeniami, poprawiają jakość obrazu, a także eliminują wspomnianą wcześniej nadmierną czułość na światło podczerwone.
To wszystko razem stanowi jedną całość.

Zobaczmy teraz do czego dokładnie przydaje się każdy z filtrów w aparacie.


Filtr anty-aliasingowy

Termin ANTYALIASING znany jest pewnie każdemu miłośnikowi gier komputerowych. Efekt ten występuje w momencie, gdy szczegółowość sceny jest większa niż liczba pikseli. Taki obraz wydaje się nam zbyt ostry i poszatkowany - dobrym przykładem jest na przykład fotografia korony drzewa z milionami liści. Może zaistnieć sytuacja, że jeden liść reprezentowany jest przez niewiele pikseli, a nawet tylko 1 (określa się to mianem undersamplingu), co uniemożliwia poprawne określenie wyglądu jego krawędzi (kształt) czy koloru powierzchni.
Stosowany w cyfrówkach filtr AA (czyli mówiąc inaczej dolnoprzepustowy), umieszczany przed detektorem CCD/CMOS, ma za zadanie zminimalizować ten efekt (rozmywając nieco obraz), poprzez obniżenie zbyt wysokich kontrastów i umożliwienie aparatowi dokładnego próbkowania danych i ich interpretacji. Filtr AA działa podobnie jak funkcja "Clear Type" w systemie Windows, która wygładza krawędzie czcionek.

Stosowanie tego filtra może obniżyć wynikową ostrość obrazu, ale nie na tyle, aby nie była ona do odzyskania za pomocą choćby filtra unsharp mask (USM) w programach graficznych, takich jak Photoshop. Często filtr AA jest jednocześnie filtrem IR, o którym mowa poniżej, a także dodatkowo ochroną delikatnej elektroniki matrycy.

Materiały KODAK

Ponieważ filtr AA nie zawsze działa idealnie, na zdjęciach zauważymy wiele negatywnych efektów niedostatecznej rozdzielczości matrycy. Opisane są one w rozdziale 9.


Filtr IR - podczerwieni mówimy NIE

Każdy cyfrowy detektor światła stosowany w cyfrówce jest bardzo czuły w świetle podczerwonym. Gdyby zarejestrować to światło wraz z zakresem widzialnym, otrzymalibyśmy zdjęcia o bardzo dziwnych (poczerwienionych) barwach. Nasze oko jednak jest przyzwyczajone do postrzegania wyłącznie w świetle widzialnym, czyli dla fal EM o zakresie 350-780nm. Wszystko, co jest poza tym zakresem, jest dla nas niewidzialne. Niestety, wszystkie fotografowane obiekty świecą w podczerwieni (co jest częściowo związane z temperaturą ciał) i stad te dziwne barwy.

fot. Daniel Gaworski www.topinfrared.com
Gdyby przed matrycą nie umieszczono filtra IR, otrzymalibyśmy takie oto kolory na zdjęciu (symulacja)

Aby aparat rejestrował wyłącznie światło widzialne, stosuje się filtr IR, który odcina większość światła o długości fali większej niż 0.7um, a także nadmiar światła UV. Docierające do detektora światło ma dzięki temu taki zakres barw, jak ten rejestrowany przez oko ludzkie.

fot. Daniel Gaworski www.topinfrared.com
Dzięki filtrowi IR zamontowanemu wewnątrz aparatu możemy cieszyć się naturalnymi kolorami zdjęcia.

USUWANIE FILTRA IR SPRZED MATRYCY CZY KUPNO FOTOGRAFICZNEGO FITRA IR?:
Filtr IR, choć tak potrzebny, nie przez każdego jest pożądany. Najbardziej zmartwieni jego zastosowaniem są miłośnicy fotografii w podczerwieni czy amatorzy fotografii nieba, które jak wiemy w podczerwieni prezentuje się dużo ciekawiej. Można oczywiście usunąć filtr IR na stałe (lub zakupić specjalną wersję aparatu Canon 20Da pozbawioną tego filtru) - w Internecie można znaleźć porady jak to zrobić. Niestety wtedy pozbawimy się możliwości wykonywania normalnych fotografii w świetle dziennym. Jeśli jednak aparat ma służyć wyłącznie celom astronomicznym lub fotografii w IR, skórka jest warta wyprawki. Zwykle jednak nie w smak będzie nam ryzyko związane z usuwaniem filtra - istnieje możliwość uszkodzenia matrycy. Dlatego możemy ograniczyć się do zastosowania filtrów do fotografii w podczerwieni. W przeciwieństwie do tego stosowanego w aparacie, fotograficzny filtr IR blokuje większość światła widzialnego, a przepuszcza podczerwień. Ponieważ matryca, nawet z zainstalowanym filtrem IR, reaguje na podczerwień (choć w znacznie mniejszym zakresie) to możliwe będzie wykonanie zdjęcia w świetle podczerwonym. Trzeba tylko pamiętać o stosowaniu znacznie większego czasu naświetlania, gdyż po założeniu fotograficznego filtra IR  ilość docierającego do matrycy światła będzie bardzo niewielka.

fot. Daniel Gaworski www.topinfrared.com
Jeśli pozostawimy filtr IR przed matrycą, a na obiektyw nakręcimy filtr przepuszczający tylko podczerwień, otrzymamy zdjęcie o barwach zbliżonych do zdjęcia ze zdjętym wewnętrznym filtrem IR.

O takich a nie innych barwach na zdjęciu decydują dwa czynniki. Przede wszystkim w każdej z pokazanych sytuacji na matrycę pada światło o innym zakresie widmowym co daje inny zakres barw, Dodatkowo proces interpolacji koloru (patrz kolejny rozdział) również wprowadza pewne zakłócenia co owocuje tak zmienionymi barwami.

Rysunek pokazuje zakres barw widzianych przez matryce aparatu w trzech sytuacjach.

A - aparat ma zainstalowany filtr IR przed matrycą, na obiektywie nie ma żadnego filtra
B - po usunięciu filtra IR sprzed matrycy, na obiektywie nie ma żadnego filtra
C - aparat ma zainstalowany filtr IR, na obiektyw nakręcony filtr do fotografii w IR

DETEKTORY CYFROWE W NAUCE:
Stosowane w naukowym obrazowaniu detektory CCD lub CMOS zwykle mają inną budowę, niż te znane w fotografii. Często pozbawione są większości filtrów, które choć poprawiają obraz, to zacierają też część sygnału, która w nauce jest istotna. I tak we wspominanej już astronomii nie stosuje się stale filtra IR, bo jest to zbędne. Zamiast tego umieszcza się na drodze światła filtry przepuszczające światło o pożądanej długości fali. Zdjęcia nieba uzyskane przez astronomów są monochromatyczne. Kolorowe obrazy, jakie oglądamy w Internecie, to wynik złożenia kilku obrazów, wykonanych przez różne filtry - a i w tym przypadku pamiętajmy, że kolory nie muszą być naturalne.

Fotografia w podczerwieni pozwala osiągnąć niesamowite rezultaty kolorystyczne, zwłaszcza jeśli pomożemy naturze i poprawimy kolory w programie graficznym. Efekt może być taki jak na zdjęciu poniżej.

fot. Daniel Gaworski www.topinfrared.com


Filtr barwny, czyli skąd się bierze kolor na zdjęciach

Umieściliśmy przed pikselami matrycy już dwa filtry AA i IR. Nasze zdjęcie powinno mieć teraz poprawne barwy i być odpowiednio ostre. Niestety tak wykonane zdjęcie będzie czarno-białe, a dokładniej mówiąc, w odcieniach szarości. Przyczyną tego jest fakt, iż piksele matrycy reagują wyłącznie na intensywność padającego światła, a nie jego barwę - a więc kolejny problem. Co zrobić, aby uzyskać kolorowy obraz? Można to osiągnąć na kilka sposobów.

  • możemy rozdzielić sygnał świetlny na trzy wiązki RGB i wykorzystać 3 detektory do jednoczesnej rejestracji światła. Ta metoda, znana jako 3CCD, jest często stosowana w kamerach cyfrowych. Niestety, wymaga stosowania dodatkowego układu pryzmatycznego, co podraża produkcję i zmniejsza kompaktowość konstrukcji,
  • możliwe jest też wykonanie 3 zdjęć zmieniając filtry, zakładając kolejno filtr R, G i B. Można zautomatyzować ten proces umieszczając ruchome koło filtrów przed matrycą (najczęściej stosowane w astronomii). Lecz tradycyjna fotografia wymaga rejestracji obrazów, które zmieniają się często bardzo szybko i ponowne uchwycenie takiego samego obrazu byłoby niemożliwe,
  • stosując technikę z fotografii analogowej, gdzie klisza zbudowana jest z kilku warstw, reagujących na różne barwy światła, kolejno niebieską, zieloną i czerwoną (związane jest to z różną głębokością penetracji warstwy światłoczułej, zależnie od barwy światła). Matryce, wykorzystujące ten pomysł (opatentowany już w latach 70 przez Kodaka), już istnieją. Są to wspomniane układy FOVEON X3. Niestety obecnie są bardzo drogie w produkcji, a także nie oferują zbyt wielkiej rozdzielczości w pikselach. Technologia jest jednak rozwijana,
  • ostatnia metoda bazuje na podobnych założeniach, jak funkcjonowanie ludzkiego oka, czyli na interpolacji barwnej. Mówiąc w skrócie, proces interpolacji pozwala na stworzenie dodatkowej informacji, wykorzystując już istniejącą

CIEKAWOSTKA - proces interpolacji barwnej nie jest nam tak obcy, jak by się wydawało. Oko ludzkie też posiada receptory (tzw. czopki), które są czułe na różne długości światła odpowiadające mniej więcej RGB. Mózg ludzki dokonuje tej interpolacji samoistnie i widzimy kolorowy obraz. Błędy w tym procesie mogą się objawić takimi schorzeniami jak np. daltonizm.

Pierwsze dwie metody rejestracji koloru są w fotografii cyfrowej nieopłacalne. Trzecia metoda to być może przyszłość matryc światłoczułych. Obecnie jednak powszechny jest sposób czwarty, czyli  metoda interpolacji barwnej.
W fotografii cyfrowej działa to w następujący sposób. Przez każdym pikselem znajduje się filtr, który przepuszcza jedną z barw R, G lub B, a pozostałe dwie blokuje. Zwykle filtry są ułożone w postaci szachownicy, a układ jej sprawia, że na co drugi piksel pada światło zielone, a na co czwarty czerwone bądź niebieskie. Taki układ filtrów (RGBG) znany jest pod nazwą maski Bayera (od nazwiska wynalazcy). Takie proporcje wybrano dlatego, gdyż 50% pikseli G i po 25% R i B odpowiada dość dobrze czułości oka ludzkiego. Jest to najpopularniejszy stosowany układ filtrów.

Ale nie jest to jedyny stosowany układ - firma Sony zastosowała w 2003 roku w aparacie DSC-F828 układ RGBE z dodatkowym filtrem szmaragdowym (E - emerald).
Inny stosowany układ wykorzystuje dopełniające kolory do RGB czyli CMY + G (green) - ten układ pozwala na większa transmisyjność światła i zmniejszenie szumu w sygnale niż zwykłe RGB. Rzadko spotykany (Nikon Coolpix 4500).

PODPIS: Przykładowa czułość każdego z filtrów w przypadku maski barwnej RGB (wykres dla aparatu Nikon D70). Widzimy, że zakresy czułości zachodzą na siebie co wpływa na dokładność odzwierciedlenia barw. Przebieg zakresu czułości dla innych modeli cyfrówek może być nieco inny co wpływa na ogólną kolorystykę zdjęcia.
 
Tak więc stosując maskę barwnych filtrów możemy rejestrować różne barwy. Ponieważ jednak dla danego piksela mamy informacje tylko o jednej ze składowych koloru, np. R w przypadku maski RGB, to aby określić jego prawdziwy kolor trzeba uwzględnić informacje z sąsiednich pikseli, a ponieważ mają one inne barwy, jest to możliwe. Proces ten jest realizowany przez procesor aparatu, a jego dokładność zależy od zastosowanych algorytmów (jest to tzw. interpolacja barwna).

Istnieje możliwość pominięcia interpolacji i zapis w postaci pliku RAW. Jest to plik z informacją o tym, co widzi matryca CCD bez żadnej obróbki. Zapis danych w tym formacie daje nam duże możliwości, gdyż dopiero po zrobieniu zdjęcia możemy nadać mu odpowiedni balans bieli skorygować barwy lub naświetlenie, i nie musimy się o to za bardzo martwić w momencie wykonywania zdjęcia. Tryb RAW nie uwalnia nas jednak od odpowiedniego ustawienia czasu i przysłony, gdyż te parametry nie zależą od własności matrycy.
Tryb RAW stosowany jest w każdej lustrzance i niektórych kompaktach. Dla większości fotografujących wystarczająco satysfakcjonujący będzie zapis do formatu JPEG, którego jakość została znacznie poprawiona w ostatnich latach.