Массив цветных светофильтров ( мозаика цветных светофильтров ) — часть светочувствительной матрицы фотоприбора, осуществляющая пространственное цветоделение изображения при помощи фотодатчиков — пикселей матрицы, расположенных за светофильтрами различного цвета. Каждый светочувствительный элемент накрыт одним светофильтром массива.

Таблица расположений цветных фильтров

схема	название	описание	размер элемента (пикселы)
	Фильтр Байера	Наиболее распространенный RGB -фильтр. 1 синий, 1 красный, 2 зелёных	2×2
		Один из зелёных фильтров заменён на изумрудный ( англ. emerald ). Применялся фирмой Sony в 8-мегапиксельной матрице ICX456 и в фотоаппарате Sony CyberShot DSC-F828.	2×2
		Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.	2×2
		Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в некоторых камерах Kodak.	2×2
	RGBW Байера	один из зелёных фильтров заменён на белый, в остальном аналогичен стандартному фильтру Байера. Незначительно выигрывает в светочувствительности и на примерно 1 ступень выигрывает в фотографической широте.	2×2
	RGBW #1	три примера RGBW -фильтров Kodak, с 50 % белого. По сравнению с остальными выигрывают в светочувствительности и фотографической широте и проигрывает в цветопередаче. Между собой различаются необходимыми алгоритмами обработки и характером структурного шума ( англ. pattern noise ), создаваемого большим (по сравнению с традиционным фильтром Байера) пространственным периодом структуры фильтра. Нашел применение там, где требуется высокая светочувствительность, а цветовая информация вторична: системы технического телевидения, видеонаблюдение , автомобильные видеорегистраторы .	4×4
	RGBW #2
	RGBW #3		2×4
	X-Trans	Благодаря большей области повторения структуры X-Trans (6×6) уменьшается муар, что позволило убрать антимуарный фильтр в фотоаппарате Fujifilm X-Pro 1 и повысило детализацию снимков.	6×6

Дебайеризация

Поскольку каждый элементарный фотодиод матрицы находится за элементарным светофильтром, он фиксирует только информацию о яркости своего пикселя в частичном цветоделённом изображении. Для получения цветного изображения в одном из стандартных цветовых пространств необходима интерпретация этих данных при помощи процесса под названием дебайеризация . При этом происходит разделение пикселей, регистрирующих красный, зелёный и синий цвета, а затем информация преобразуется в цветной файл. Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму. Производители цифровых фотоаппаратов и используют собственные адаптивные алгоритмы, как правило, объявляемые производителем ноу-хау . Впрочем, алгоритмы и настройки большинства RAW-конвертеров восходят к исходным текстам dcraw — конвертера с открытым кодом , о чём многие авторы программ-конвертеров (например, SilkyPix) честно упоминают в документации на программу.

Сглаживающий фильтр

Антиалиасинговый, сглаживающий, размывающий или низкочастотный фильтр — в разных источниках может использоваться любое из этих названий.

Данный фильтр наносится на матрицу перед цветным фильтром. Его основное назначение — устранение муара на фотографиях, возникающего при съёмке так называемых регулярных структур (часто повторяющихся элементов). Например, муар может возникать на кирпичной стене или ткани пиджака, блузки и т. д. Чем более агрессивный сглаживающий фильтр используется, тем меньше вероятность возникновения муара, но такие фильтры имеют и обратную сторону медали: они размыливают картинку фотографии и при детальном рассмотрении получаются нечёткими, размазанными (замыленными). Правда, ощутимая разница между фотографиями, сделанными матрицами с фильтром и без, возникает только при использовании качественной, резкой оптики. Однако развитие цифровых фотоаппаратов в сторону упрощения их использования, стремление получить конечный продукт — файл jpg, не увеличивая затрат на обработку непосредственно в фотоаппарате, привели к решению о применении рассеивающего фильтра. Это стало компромиссным решением, ныне массово применяемым.

Несмотря на то, что сейчас размывающий фильтр используется в подавляющем большинстве матриц с мозаичными цветовыми фильтрами, в течение 2013 года наметилась тенденция по отказу от сглаживающих фильтров для повышения резкости и детализации фотографий. Поначалу производители стали представлять по две модели своих камер, с размывающими фильтрами и без них, а потом и вовсе с обновлением линейки выпускали одну модель без фильтра. Например, Sony A7 и Sony A7R, Nikon D800 и Nikon D800E, Nikon D3300, Nikon D5300, Nikon D7100 и т.д.. Фирма Fujifilm вообще стоит особняком в этом плане. Благодаря своим матрицам с цветным фильтром X-Trans, устойчивым к появлению муара из-за особого рисунка цветового фильтра, они отказались от сглаживающего фильтра. Компания Pentax отличилась тем, что выпустила камеру Pentax K-3 с отключаемым сглаживающим фильтром.

Задолго до этого также фирма Kodak производила две камеры DCS Pro SLR/n и DCS Pro SLR/c , в которых использовались матрицы без размывающего фильтра. .

Строго говоря, смягчение артефактов этого типа не является обязательным и может быть скомпенсировано постобработкой конкретного изображения в соответствии с целями фотографа.

Развитие CFA

Фильтр Байера — исходно не только самый первый вариант расположения фильтров на матрице, но и наиболее простой в обработке вариант фильтра. Даже быстрая билинейная интерполяция даёт «конечный результат» в виде полноцветной RGB-картинки.

В отличие от традиционного RGGB-фильтра Байера, при иных цветах светофильтров получение компонентов RGB каждого пиксела требует более сложных алгоритмов, учитывающих в определённых пропорциях значения всех окружающих пикселов. Однако неидеальность цветопередачи и потеря 2/3 светового потока на фильтрах заставили разработчиков искать возможные изменения массива фильтров.

Улучшение цветопередачи

Желание увеличить точность цветопередачи зелёных цветов привела к разработке RGEB-фильтра, в котором половина зелёных ячеек заменена зелёно-голубыми («изумрудными», англ. emerald ).

G	R
B	E

Снимки, сделанные с применением таких матриц, отличаются более плавными переходами голубых цветов и зелёной листвы. Применяется в некоторых камерах фирмой Sony.

Увеличение чувствительности

Также иногда применяются :

C	Y
G	M

Данный фильтр интересен тем, что пропускает приблизительно 2/3 падающего света, задерживая 1/3. Тем самым достигается рост общей светочувствительности матрицы. Однако итоговое цветовое пространство оказывается хуже, чем при аддитивном RGB-наборе фильтров.

Увеличение чувствительности и фотографической широты

Фильтры RGBW в нормальных условиях панхроматического освещения дают бо́льшую светочувствительность, но худшую цветопередачу. На освещении, близком к монохроматическому, RGBW превосходит по всем параметрам RGGB за счёт большего числа пикселей, воспринимающих свет.

Сравнение с другими системами

Преимущества перед трёхматричными системами

• компактность;
• технологичность, возможность производства интегральной микросхемы со всей прилегающей к ней оптической частью (фильтр Байера, микролинзы, low-pass-фильтр) как единого целого;
• отсутствие проблем сведения цветов и механической юстировки;
• возможность применения в зеркальных аппаратах;
• возможность применения объектива с малым задним вершинным расстоянием, что существенно уменьшает габариты камеры и упрощает оптическую схему при сохранении характеристик;

В сравнении с многослойными сенсорами

Проблемы, присущие фильтрам Байера, было призвано решить новое поколение цифровых светочувствительных матриц — матрицы X3 компании Foveon , в которых каждый пиксель состоит из трёх слоев, каждый из которых воспринимает свой цвет.

• Однако цветопередача таких матриц в наибольшей степени определяется свойствами кремния как такового, которые нелинейны, и произвольный выбор красителя для фильтрации компонентов невозможен.
• К сожалению, в многослойных матрицах разделение цветов оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «чужой» области. В результате цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании сигналов R, G, B с сенсора как значений пиксела изображения даёт малоконтрастную ненасыщенную картинку. Для компенсации этого эффекта требуется вводить агрессивный алгоритм восстановления цветового оттенка. Именно вынужденный подъём насыщенности вносит основной вклад в увеличение итогового шума матрицы.

Сравнение с матрицами с внутрипиксельным цветоделением

По состоянию на 2008 год рано говорить о преимуществах матриц с дихроичными зеркалами внутри каждого пикселя ( RGB-матрица Nikon ), так как они не вышли из стадии прототипа. Однако очевидно, что матрицы с CFA будут иметь перед ними единственное преимущество — технологичность.

Недостатки систем с мозаикой цветных фильтров

• Необходимость восстанавливать часть цветовой информации приводит к потере пространственного разрешения в цветных деталях.
• Процедура восстановления порождает эффект цветного муара и цветные артефакты.
• Для снижения эффекта цветного муара применяется фильтр нижних частот (low-pass), дополнительно размывающий изображение до его попадания на матрицу. Это приводит к дополнительному снижению разрешающей способности системы в целом и снижению микроконтраста.
• Снижение резкости в алгоритме и на фильтре low pass делает необходимым применение алгоритмов повышения резкости.

Именно эти объективные недостатки, бывшие особенно заметными на ранних аппаратах с низким разрешением, недостаточно точно выбранной силой фильтра low-pass и достаточно слабым алгоритмами повышения резкости, обусловили распространённое устойчивое мнение о неустранимых недостатках цифровой фотографии по сравнению с плёночной, а также породили другие, менее очевидные легенды.

История, аналоги

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

Однако, в отличие от пластинок « Автохром », растр на матрице имеет регулярную периодическую структуру. Это иногда приводит, при формально лучших параметрах оборудования, к субъективному мнению о «меньшей естественности» цифровой цветной картинки по сравнению с плёночными, так как в природе периодические структуры - большая редкость по сравнению с хаотическими.

Программные библиотеки/утилиты восстановления исходного изображения из мозаики

• ImageJ

См. также

• Цветная фотография
• Цвет

Примечания

• Soo-Wook Jang, Eun-Su Kim, Sung-Hak Lee, and Kyu-Ik Sohng. Adaptive Colorimetric Characterization of Digital Camera with White Balance (англ.) . — (англ.) ( , 2005. — Vol. 3656. — P. 712—719. — ( ). — ISBN 978-3-540-29069-8 . — doi : .