Beeld sensor
 
9
   
.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
 
 
 
 
.
 
 

De beeldsensor


Basis foto: wikipedia

Een  beeldsensor bestaat uit duizenden kleine individuele sensor cellen, ook “sensels” genaamd die elk voor hun gebied het licht van een op de sensor geprojecteerd beeld kunnen omzetten in een elektrisch signaal.
De individuele sensoren (sensels)  die voor een fotocamera gebruikt worden zijn niet of weinig gevoelig voor kleuren, en geven enkel de helderheids (zwart/wit) informatie door.
Om een kleurenbeeld te krijgen, wordt vóór de individuele sensoren, een kleurfilter geplaatst.
Iedere individuele sensor cel geeft nu de helderheids informatie door van de kleur van het filter, dat voor het sensor element is aangebracht.
We hebben dus minimum 3 sensor elementen nodig om de RGB kleuren informatie te kunnen weergeven.
Nochtans wordt in de finale jpeg of Tiff foto, aan ieder sensor element, een pixel met de volledige kleur en luminantie informatie toegekend.
Die informatie verkrijgt men, door niet alleen de informatie van de individuele gekleurde cel te gebruiken, maar die te combineren met de informatie van de aanliggende cellen met de 2 andere hoofdkleuren.
Voorbeeld:
Voor een sensor cel (C3) met een blauw filter  bestaat de “foto pixel” informatie uit:
fotopixel C3 =info blauwe sensor cel C3 + ¼. (aanliggende groene cellen 1+2+3+4) + ¼. (aanliggende rode cellen 1+2+3+4)

De fotopixel C3 die overeenkomt met de C3 sencorcel krijgt de volledige kleurinformatie afkomstig van zijn eigen cel met blauw filter en de omliggende cellen met rode en groene filters
Men neemt de informatie van een aantal gekleurde cellen samen om de individuele kleur en helderheid van iedere pixel te kunnen bepalen.
De kleur en helderheids informatie voor 1pixel wordt  in het voorbeeld gevormd uit de informatie van 9 individuele sensor cellen.
Op deze wijze wordt voor iedere sensor cel de bijhorende pixel informatie uit de omliggende sensor informatie berekend.
Het zal dus duidelijk zijn dat deze werkwijze  de scherpte van het beeld niet ten goede komt
.
Het zwart/wit beeld dat de sensoren weergeven wordt door het kleurenfilter omgezet in een kleurenbeeld met een resolutie die een factor 3-5 lager is dan wat de z/w sensoren weergeven.
Wil men een scherp beeld dan zal een hoge resolutie sensor nodig zijn. (hoog aantal sensels/sensor).


Het Bayer filter

foto wikipedia

Zowel het patroon van de gekleurde filters, als het algoritme waarmee de pixel informatie berekend wordt behoort tot het onderzoeks terrein van de verschillende camera fabrikanten. Er bestaan dan ook vele variaties.
Het meest gebruikte  patroon waarop de filters geplaatst worden is het “Bayer” filter (zie foto)
Het bestaat uit een herhalend patroon van 2x2 kleuren filters ,waarvan 2 groen, 1 blauw en 1 rood.
Groen krijgt dus het meeste aandacht omdat onze ogen het meest gevoelig zijn voor groen.
Men spreekt van een RGGB filter
Andere patronen kan je hier vinden: http://en.wikipedia.org/wiki/Color_filter_array

Foveon X3 sensor

Er bestaat ook een sensor waarbij per sensel een doorzichtige blauw, groen en rode fotosensor achter elkaar geplaatst worden, iedere cel geeft hier dus wel meteen de volledige kleur informatie.
Deze sensor noemt de Foveon X3 sensor. http://en.wikipedia.org/wiki/Foveon_X3_sensor
Het Bayer filter is echter nog steeds het meest gebruikte.

Demosaicing  algoritme

De RAW informatie zoals ze uit een fototoestel beschikbaar is, bevat de ongecodeerde R,G, of B informatie van de individuele sensorcellen.
Om deze informatie als een kleurenfoto te kunnen “zien” moeten eerst de foto pixels samengesteld worden uit de informatie van de originele  en de informatie van de naastliggende sensor cellen.
De omzetting gebeurt bij het omcoderen  van het RAW bestand naar “Tiff” of Jpeg bestand
Dit kan zowel in het fototoestel, als buiten het toestel door een computer gebeuren.
De wiskundige formule waarmee de berekening gebeurt noemt men het Demosaicing algoritme.
Bovenvermelde formule :
Pixel info= info blauwe cel+ ¼. (aanliggende groene cel 1+2+3+4) + ¼. (aanliggende rode cel 1+2+3+4),
is slechts een eenvoudig voorbeeld hoe de pixel informatie zou kunnen samengesteld worden, in de praktijk is de formule heel wat ingewikkelder, afhankelijk van de beeldinhoud, de kleur,…
Iedere fabrikant heeft voor zijn eigen toestel de meest optimale formule uitgewerkt, ook de RAW informatie verschilt van fabrikant tot fabrikant.

Dit is meteen de reden waarom men best de software van de fabrikant gebruikt voor de omzetting van RAW naar Jpeg, want die is optimaal voor het specifieke fototoestel.
Meer info:
http://en.wikipedia.org/wiki/Demosaicing

Lowpass filter.

Door uitlijnfouten tussen de gekleurde filters en de sensels en het samenvoegen van aanliggende sensel informatie ontstaat vooral bij horizontale of verticaal evenwijdige lijnen een storende kleuren interferentie.
Om dit te vermijden plaatst men vóór het kleurenfilter een optisch “blur” pre-filter, ook wel “optical lowpass” filter genoemd
Bedoeling van dit filter is om scherpe overgangen in verticale en horizontale richting te “vervagen” .
Het zal duidelijk zijn dat dit filter ook de scherpte van de foto negatief beïnvloed.

Besluit:

  • Er wordt informatie van meerdere sensorcellen gebruikt om de helderheid en kleur van 1 fotopixel te bepalen.
  • Vóór het kleurenfilter wordt een “wazig” filter geplaatst om hinderlijke kleurinterferentie tegen te gaan.
  • Beide beïnvloeden de scherpte van de foto negatief.
  • Het bayer filter is het meest gebruikte sensor filter
  • Uit hoe meer sensels een sensor bestaat hoe potentieel scherper het beeld zal zijn.

 

 

 

© Beertje 2013
Update 2021