Perché i sensori tradizionali non usano i filtri CYM anziché RGB?

Da quanto ho capito, la maggior parte delle fotocamere digitali ha un sensore in cui ogni sensore pixel ha tre sub-sensori, ognuno con un filtro R, G e B. RGB è ovviamente il modello cromatico più fondamentale poiché corrisponde direttamente ai recettori (coni) nell'occhio umano.

Tuttavia, i filtri RGB eliminano necessariamente i due terzi della luce bianca per ottenere il loro componente. Sicuramente le telecamere trarrebbero beneficio da tempi di esposizione più brevi se i filtri fossero invece CYM in cui ogni elemento taglia solo un terzo della luce? Il processore della fotocamera può comunque salvare l'immagine in qualsiasi formato il consumatore desideri poiché un punto dati CYM può essere facilmente convertito in RGB.

So che a volte questo viene fatto in astrofotografia dove vengono scattate tre foto in bianco e nero separate con i filtri CYM.

Sbaglio e questo è, in effetti, ciò che è già stato fatto - o c'è una buona ragione per un sensore RGB?

Innanzitutto, un piccolo sfondo per chiarire un leggero malinteso da parte tua.

La stragrande maggioranza delle fotocamere digitali a colori ha un filtro Bayer che maschera ogni pixel con un filtro colorato: rosso, verde o blu. ¹ I dati RAW non includono alcuna informazione sul colore, ma solo un valore di luminanza per ciascun pixel.

Tuttavia, i filtri RGB eliminano necessariamente i due terzi della luce bianca per ottenere il loro componente.

Non proprio. C'è molta luce verde che supera i filtri "rosso" e "blu". C'è molta luce "rossa" e un bel po 'di luce "blu" che supera il filtro "verde". C'è un po 'di luce "blu" che supera il filtro rosso e viceversa. Le lunghezze d'onda su cui sono centrati i filtri "Verde" e "Rosso" sono molto vicine tra loro, e "Rosso" si trova generalmente tra 580nm e 600nm, che è più nel territorio "giallo-arancione" che "rosso". I "picchi" dei filtri in un tipico array Bayer non sono allineati con le lunghezze d'onda che descriviamo come "rosso", "verde" e "blu".

Quindi, in un certo senso, le nostre fotocamere sono davvero YGV (giallo-verde-viola) tanto quanto sono RGB. I nostri sistemi di riproduzione del colore (monitor, stampanti, macchine da stampa, ecc.) Sono RGB, CMYK o altre combinazioni di colori.

Questo imita l'occhio umano, in cui i nostri coni "rossi" sono centrati intorno a 565 nm, che è un giallo verdastro, al contrario dei nostri coni "verdi" che sono centrati intorno a 540 nm, che è verde con solo una tinta di giallo mescolato. più su come sia il sistema di visione umana che le nostre telecamere creano "colore" dalla porzione dello spettro di radiazione elettromagnetica che chiamiamo "luce", vedi: Perché il rosso, il verde e il blu sono i colori primari della luce?

Non c'è un forte taglio tra i colori del filtro, ad esempio con un filtro usato su uno strumento scientifico che lascia passare solo una banda molto stretta di lunghezze d'onda. È più simile ai filtri colorati che utilizziamo sulla pellicola in bianco e nero. Se utilizziamo un filtro rosso con pellicola in bianco e nero, tutti gli oggetti verdi non scompaiono o sembrano totalmente neri, come farebbero con un taglio netto. Piuttosto, gli oggetti verdi appariranno di una tonalità più scura di grigio rispetto agli oggetti rossi che sono altrettanto luminosi nella scena reale.

Proprio come per l'occhio umano, quasi tutti i filtri Bayer includono il doppio dei pixel "verdi" rispetto ai pixel "rossi" o "blu". In altre parole, ogni altro pixel è mascherato da "Verde" e la metà rimanente è divisa tra "Rosso" e "Blu". Quindi un sensore da 20 MP avrebbe circa 10 milioni di pixel verdi, 5 milioni di rossi e 5 milioni di blu. Quando i valori di luminanza di ciascun pixel vengono interpretati dall'unità di elaborazione della videocamera, la differenza tra pixel adiacenti mascherati con colori diversi viene utilizzata per interpolare un valore di Rosso, Verde e Blu ( che corrisponde effettivamente a un punto intorno a 480, 530 e 640 nanometri ) per ogni pixel. Ogni colore è ulteriormente ponderato per circa la sensibilità dell'occhio umano, quindi il "rosso"

Il processo di conversione dei valori di luminanza monocromatica da ciascun pixel in un valore RGB interpolato per ciascun pixel è noto come demosaicing. Poiché la maggior parte dei produttori di fotocamere utilizza algoritmi proprietari per farlo, l'uso di convertitori RAW di terze parti come Adobe Camera RAW o DxO Optics produrrà risultati leggermente diversi rispetto all'utilizzo del convertitore RAW del produttore. Esistono alcuni tipi di sensori, come Foveon, che hanno tre strati sensibili al colore sovrapposti uno sull'altro. Ma i produttori affermano che un sensore del genere con tre strati da 15 MP sovrapposti l'uno sull'altro è un sensore da 45 MP. In realtà, una tale disposizione fornisce la stessa quantità di dettagli di un sensore mascherato Bayer convenzionale di circa 30 MP. Il problema con i sensori di tipo Foveon, almeno finora, è stato il peggioramento del rumore in ambienti con scarsa illuminazione.

Quindi perché la maggior parte delle fotocamere digitali non utilizza i filtri CYM invece dei filtri RGB¹? Il motivo principale è l'accuratezza del colore definita dalla percezione umana delle diverse lunghezze d'onda della luce. È molto più difficile interpolare i valori di colore in modo accurato utilizzando i valori dei pixel adiacenti quando si utilizza una maschera CYM rispetto a quando si utilizza una maschera "RGB". Pertanto, si rinuncia alla sensibilità alla luce per ottenere la precisione del colore. Dopotutto, la maggior parte della fotografia commerciale ai massimi livelli viene eseguita con illuminazione controllata (come uno studio di ritratto in cui è abbastanza facile aggiungere luce) o da un treppiede (che consente tempi di esposizione più lunghi per raccogliere più luce). E le esigenze dei fotografi professionisti sono ciò che guida la tecnologia che poi arriva ai prodotti di qualità consumer.

_{¹ Tranne che i tre filtri colorati per la maggior parte delle fotocamere "RGB" mascherate Bayer sono davvero "blu-con un tocco di viola", "Verde con un tocco di giallo" e da qualche parte tra "Giallo con un tocco di verde" (che imita il occhio umano di più) e "Giallo con molta arancia" (che sembra essere più facile da implementare per un sensore CMOS).}

Sono stati realizzati sensori giallo ciano magenta, insieme a ciano rosso verde e alcune altre varianti.

Il problema principale è che anche con i sensori RGB vi è una significativa sovrapposizione tra la risposta spettrale di ciascuno dei coloranti, ovvero i pixel "verdi" sono sensibili alla luce rossa e blu in una certa misura. Ciò significa che i risultati richiedono calcoli complessi per ottenere colori accurati, le risposte relative dei pixel rossi e blu adiacenti vengono utilizzate per giudicare quanta parte della risposta verde è stata in realtà il risultato della luce rossa e blu.

Con CMY il problema è molto peggio. Stai essenzialmente scambiando efficienza luminosa per la precisione del colore. Questo può andare bene per la fotografia astronomica in cui non si hanno sempre confini di colore nitidi, quindi è possibile ridurre il rumore cromatico sfocando, ma non è buono per la fotografia di paesaggio o di moda.

Tra i chip RGB, la scelta esatta dei filtri varia in base al produttore. Ad esempio, Canon utilizza coloranti deboli con ampia risposta per inseguire prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione, ma i coloranti specifici utilizzati sono anche orientati verso i colori più esigenti sotto l'illuminazione fluorescente, a beneficio dell'esercito di fotografi sportivi e giornalisti che utilizzano fotocamere Canon.

La Sony, invece, con la A900 ha cercato di entrare nel mercato della moda professionale fornendo un'accuratezza del colore molto elevata. Gli array di filtri colorati utilizzati nei dorsi digitali di medio formato sono sintonizzati per fornire skintones piacevoli (anche se non necessariamente precisi).

Le ragioni per cui i produttori di fotocamere hanno optato per l'array RGBG Bayer probabilmente hanno più a che fare con brevetti, disponibilità e costi, piuttosto che con la "precisione" del colore. In linea di principio, qualsiasi set di tre colori appropriati, "ortogonali" (per così dire), dovrebbe andare bene per la riproduzione dei colori. Con sensori e processori più avanzati, dovrebbe essere ancora più semplice.

Dubito che l'affermazione dell'accuratezza del colore RGB vs CMY sia dovuta al fatto che le conversioni tra RGB e CMYK vengono eseguite continuamente per la stampa. Inoltre, prima del bilanciamento del bianco, i colori con demosaick nei file grezzi non sono nulla vicino ai colori desiderati effettivi. Se i colori fossero davvero "precisi", i fotografi non dovrebbero spendere così tanto tempo a correggere i colori delle foto.

I vari esperimenti di sensori di Fujifilm (Super CCD, EXR CMOS, X-Trans) dimostrano che solo perché tutti gli altri fanno qualcosa in un modo particolare non significa che sia necessariamente il modo migliore per farlo. Kodak ha anche sperimentato diverse matrici di colori , ma non ha fatto un ottimo lavoro nel commercializzare la propria tecnologia e i propri brevetti.

La Nikon Coolpix 5700, una fotocamera da 5 mp circa del 2002, sembra essere tra le ultime fotocamere a utilizzare un array di colori CYGM . Digital Photography Review dice (enfasi aggiunta) :

La qualità delle immagini è eccellente, con quell'ottima misurazione della matrice, un buon bilanciamento tonale e colori (accurati e vivaci senza eliminare i colori) oltre a una risoluzione superiore alla media. Le frange viola sono in calo ma l'aspetto generale dell'immagine è ancora molto "Coolpix". I livelli di rumore sono buoni, soprattutto se confrontati con altre fotocamere digitali da cinque megapixel (come indicato dal nostro confronto con la Minolta DiMAGE 7i).

I pochi dettagli sulla qualità dell'immagine che abbiamo raccolto; distorsione a barilotto, ritaglio in evidenza e artefatti Bayer non sono i tipi di problemi che incidono sulle riprese di tutti i giorni e non rovineranno il godimento complessivo della qualità dell'immagine della 5700.