Bayerova maska, X-Trans a snímače bez barevného filtru

Křemíkový snímač barvy nevidí, měří jen množství světla. Barevná fotografie vzniká tak, že před každým pixelem leží červený, zelený nebo modrý filtr a dvě chybějící barvy se dopočítají ze sousedů. Nejrozšířenějším uspořádáním těchto filtrů je Bayerova maska, Fujifilm používá vlastní vzor X-Trans a několik fotoaparátů filtry nemá vůbec a fotografuje pouze černobíle.

Jak je Bayerova maska uspořádaná

Vzor navrhl Bryce Bayer ve společnosti Kodak a patentován byl v roce 1976. Opakuje se v něm čtverec dva krát dva pixely: jeden červený, jeden modrý a dva zelené. Zelených je dvojnásobek záměrně. Lidský zrak je na zelenou část spektra nejcitlivější a vnímá podle ní jas, a tedy i ostrost.

Každý filtr pohltí světlo ostatních barev, takže k fotodiodě projde jen zhruba třetina toho, co na pixel dopadlo. To je cena za barvu, kterou platí všechny snímače s mozaikou bez ohledu na formát.

Údaj o rozlišení se přitom vztahuje k počtu pixelů, ne k počtu úplných barevných bodů. Snímač s 24 megapixely má 12 milionů zelených, 6 milionů červených a 6 milionů modrých měření. Jasový detail je díky tomu blízký jmenovité hodnotě, barevný je hrubší. Co to znamená pro tisk a ořez, rozebírá článek o tom, jaké rozlišení snímače skutečně potřebujete.

Demosaicing: dopočítání chybějících barev

Převod mozaiky na plnobarevný obraz se nazývá demosaicing. Algoritmus pro každý pixel odhaduje dvě barvy, které nezměřil, a neprůměruje přitom naslepo. Sleduje směr hran, aby neinterpoloval napříč ostrým přechodem, protože tam by vznikly barevné lemy.

Ve fotoaparátu tento výpočet probíhá při ukládání JPEG. U souboru RAW se odkládá až do počítače, a proto tentýž snímek vypadá v různých programech trochu jinak. Považuji to za podceňovaný důvod, proč fotit do RAW: lepší algoritmus z dat starých několik let dostane víc detailu, než kolik z nich uměl získat fotoaparát v den pořízení.

Moaré a antialiasingový filtr

Pravidelná mřížka filtrů má slabinu. Setká-li se s jemným pravidelným vzorem ve scéně – s tkaninou, pletivem, taškami na vzdálené střeše – vzniká interference. V obraze se objeví vlnité pruhy, které ve skutečnosti neexistují, často s falešnými barvami, protože sousední pixely různých barev zachytily různé části vzoru.

Tradiční obranou je antialiasingový filtr, označovaný také OLPF. Jde o tenkou destičku před snímačem, která každý paprsek nepatrně rozdělí, takže detail jemnější než rozteč pixelů se rozmaže dřív, než dopadne na mozaiku. Moaré tím zmizí, ale s ním i část ostrosti.

Řada novějších fotoaparátů tento filtr vynechává. Při vysokém rozlišení jsou pixely tak malé, že je objektiv, difrakce nebo drobné chvění rozostří samy, a moaré se objevuje zřídka. Kdo fotí hlavně krajinu a architekturu, tomu snímač bez filtru doporučuji bez váhání. U módy a produktových snímků textilu bych byl opatrnější, neboť barevné moaré na látce se v úpravách odstraňuje pracně a ne vždy beze stop.

X-Trans: nepravidelnější vzor místo filtru

Fujifilm šel u většiny těl systému X jinou cestou. Mozaika X-Trans se neopakuje po čtyřech pixelech, ale po šestatřiceti, ve čtverci šest krát šest. Zelených pixelů je víc než u Bayera a v každém řádku i sloupci jsou zastoupeny všechny tři barvy.

Méně pravidelné rozložení omezuje vznik moaré, takže snímač se obejde bez antialiasingového filtru. Demosaicing je ovšem výpočetně náročnější a programy se s ním nevyrovnávají stejně dobře. Některé převodníky vykreslují jemnou zeleň, typicky trávu a listí v dálce, s nepřirozenou strukturou. Majitelům těchto fotoaparátů proto radím porovnat na vlastních snímcích dva nebo tři RAW konvertory, než si na jeden zvyknou.

V praxi je rozdíl mezi oběma mozaikami menší, než naznačují diskuse. Viditelný bývá až při velkém zvětšení a na šum nebo dynamický rozsah má podstatně větší vliv velikost snímače než vzor filtrů na něm.

Snímače bez mozaiky

Monochromatický snímač nemá barevné filtry žádné. Na každý pixel dopadá všechno světlo, citlivost je tedy vyšší, a odpadá interpolace, takže každý bod nese skutečně změřený jas. Kresba je při stejném počtu megapixelů zřetelně jemnější a tonální přechody čistší. Nejznámějším příkladem jsou černobílé verze dálkoměrných fotoaparátů Leica M.

Takový přístroj ovšem barvu nevrátí zpět a nejde s ním dělat to, na co jsou zvyklí fotografové převádějící barevný snímek do černobílé, tedy dodatečně ztmavit oblohu nebo zesvětlit pleť posunem jednotlivých barevných kanálů. Tonální podání se musí řešit při expozici barevným filtrem na objektivu, žlutým, oranžovým nebo červeným, stejně jako na černobílý film.

Třetí cestou je vrstvený snímač Foveon společnosti Sigma. Využívá toho, že různé vlnové délky pronikají do křemíku různě hluboko, a všechny tři barvy měří v jednom místě ve třech vrstvách nad sebou. Demosaicing nepotřebuje, při vyšším ISO však šumí víc než běžné čipy.

Ještě jinak mozaiku obcházejí fotoaparáty s režimem pixel shift. Pořídí několik snímků, mezi nimiž stabilizační mechanismus v těle posune snímač o jeden pixel, a každé místo scény tak změří všemi třemi filtry. Funguje to jen ze stativu a u nehybných motivů.

Chcete-li vědět, jak je na tom váš fotoaparát, vyfoťte ze stativu jemnou tkaninu nebo síťovinu z několika vzdáleností a prohlédněte snímky ve stoprocentním zvětšení. Duhové pruhy prozradí, že před snímačem filtr není, a zároveň uvidíte, při jaké velikosti vzoru se moaré objevuje.

Zdroje

• Bryce E. Bayer: Color imaging array, patent US 3,971,065, Eastman Kodak Company, 1976
• Fujifilm – technická dokumentace ke snímačům X-Trans CMOS
• Leica Camera – technické údaje fotoaparátů řady M Monochrom
• Sigma Corporation – popis technologie snímače Foveon X3