Nagyobb érzékenység, de alacsonyabb képzaj

A Kodak két fejlesztő mérnöke olyan megoldással állt elő, amely jelentősen megváltoztathatja a kompakt - vagy akár a tükörreflexes - fényképezőgépek zajproblémájáról bennünk kialakult képet.

Az új technológia segítségével úgy növelhető meg a képérzékelők alapérzékenysége, hogy a ma használatos szenzorgyártási technológiákat alig kell csak módosítani. A fejlesztők ötletének lényege, hogy a képérzékelők előtt elhelyezett (manapság többnyire Bayer-mintás) színszűrő tömbön olyan részeket is létrehoznak, amelyek minden hullámhosszúságú fényt átengednek, magyarul a fény intenzitását annak színétől függetlenül rögzítik (pankromatikus pixelek).

A fejlesztők ettől nagyobb, a korábbi megoldásokhoz képest akár 2-4x-es érzékenységet, végeredményben pedig kisebb képzajt várnak. A nagyobb érzékenységnek köszönhetően a zársebesség is gyorsabb lehet, a rövidebb expozíciós idő pedig végsősoron csökkentheti a berázott képek számát is. A rövidebb záridő hatása és a nagyobb érzékenység ellenére kisebb képzajt a Kodak a lenti képekkel illusztrálta.

A probléma

A filmes és digitális fotózás - azt mondják - összehasonlíthatatlan. A folyamat, az előkészületek, a fotografálás érzése, az előhívás és nagyítás előtti izgalmas várakozás mindenképpen teljesen más lesz egy filmes géppel dolgozó fotós esetén, mint egy olyan embernél, aki digitális géppel alkot. De mi a helyzet a végeredménnyel?

Ebben már annyira nem egységesek a vélemények, vannak, akik azt mondják, a digitális már beérte a filmest - felbontásban legalábbis -, de vannak, akik szerint bőven van még mit fejlődni.

Én is azok közé tartozom, akik úgy vélik, hogy a digitális gépek felbontása ma már az általános célokhoz elegendő, sőt komoly fotográfusok számára is az (8-10 Mpixellel már szégyenérzet nélkül lehet indulni egy neves kiállításon, akár 40×30 cm-es nyomatokkal is). Viszont mindenképpen javítani kellene a dinamika-átfogáson.

A kompakt gépeknél ma már a felbontás sok esetben túlzó is, csak az optikai hibákat hozza ki jobban és ad keserű szájízt a fotósnak (régi szép idők 2 Mpixeles gépeit használva boldogító volt az édes tudatlanság). A nagy felbontásnak pedig van egy további hátulütője: a kis méretű pixelek. A kompakt és bridge gépek szenzorai ráadásul nem hogy nőnének, de egyre kisebbek lesznek. Néhány éve még a 2/3" típusú CCD-kkel csodaszép felvételeket lehetett készíteni, nem csak a nagy pixeleknek köszönhető alacsony képzaj miatt, de az általánosnál nagyobb szenzorméret miatt a mélységélességgel is lehetett játszani. Manapság már nincsenek 2/3" típusú CCD-k, új gépekben ilyet már nem alkalmaznak. Az 1/1,7" már a bridge gépekben a legnagyobb, amit használnak (kivéve persze a Sony DSC-R1-ét, amelyben APS-C méretű CMOS szenzor dolgozik - sokak megelégedésére).

Néhány jellemző képérzékelő pixelmérete
Fullframe 13 Mpixel	8,2 µm
APS-H 8 Mpixel	8,2 µm
APS-C 8 Mpixel	6,4 µm
APS-C 10 Mpixel	6 µm
2/3" 8 Mpixel	2,7 µm
1/8" 6 Mpixel	2,5 µm
1/8" 8 Mpixel	2,2 µm
1/7" 10 Mpixel	2,05 µm
1/2,5" 8 Mpixel	1,75 µm

A pixelek kicsiny aktív felülete miatt tehát sajnos kicsiny az alapérzékenység, emiatt jelentősebb analóg erősítésre van szükség. Ez viszont a zajt is erősíti, amely a gyenge jel/zaj arány miatt elég erőteljesen látszana is a képeken. Emiatt kell a mostani kompakt gépekben kivétel nélkül szoftveres zajszűrést alkalmazni, még a JPEG képek mentése előtt.

A probléma tehát adott: hogyan lehetne növelni a szenzorok fényérzékenységét, vagy javítani a jel/zaj arányon, s ezek által csökkenteni a zaj mértékét?

A kiindulási pont

A dolog megértéséhez érdemes egy kicsit visszakanyarodni a jelenlegi technológia kitalálásához, illetve a szenzorok működéséhez.

Bizonyára legtöbb olvasónk ismeri már az alapszínszűrő felépítését, melyet Bayer-rácsként (vagy angol szakirodalomban Bayer-filter, Bayer-pattern) is szoktak emlegetni a szakmában. Azok kedvéért, akik még nem, egy gyors rövid összefoglaló a miértről és a hogyanról.

Alapvetően onnan kell kiindulni, hogy a képérzékelők alapvetően jel átalakítóknak foghatók fel. Pontosabban fogalmazva egy foton-elektron átalakítónak. Bár nem vagyok sem fizikus, sem kémikus, megpróbálom közérthetően, de mégis nem szakbarbár módon leírni, mi is történik a képérzékelés során: amikor egy foton becsapódik a félvezető rétegbe, akkor a energiája segítségével egy elektron kiszabadulhat az atommagi kötésből. Ez hívja a fizika fényelektromos jelenségnek vagy fotoelektromos hatásnak. Hogy kiszabadul-e, vagy sem, az attól függ, hogy van-e elegendő energiája a fotonnak, vagy sem. Ha van, akkor pedig ezen felül a kvantum-hatásfok írja le azt, hogy ténylegesen milyen arányban szabadulnak ki elektronok. Ideális esetben minden becsapódó foton egy elektront szabadít ki (vagy kényszerít csupán magasabb energiájú elektronpályátra). Ha az elektronok mindig teljesen szabaddá válnának az atommagtól, akkor a kvantum-hatások 1 lenne, vagy 100%. Ilyen persze nincsen, ezért előfordul, hogy 100 foton csak 80 elektront tud kiszakítani (80%-os vagy 0,8-as kvantum-hatásfok).
Tudvalévő, hogy egy foton energiája a rezgés frekvenciájával egyenes arányban nő (hullámhosszával fordított arányossággal csökken). Van tehát egy olyan frekvencia, amely alatt a foton nem rendelkezik elegendő energiával ahhoz, hogy egy elektron kilökődjék. Viszont ezek az energiák nem adódnak össze, vagyis hiába csapódik be két, kisebb energiájú foton, nem fog belőle 1 elektron kiválni és fordítva: hiába csapódik be egy igen nagy energiájú foton, nem fog tőle 2 elektron is kiszabadulni (viszont az egy kiszabadult elektronnak jó nagy mozgási energiája lesz).
A fotográfia hagyományos módszereinél ez nem okoz egyébként gondot, hiszen a látható fény frekvencia tartományában lesz a fotonoknak elég energiájuk az elektronok kiszakításához.

Látható tehát, hogy függetlenül attól, milyen frekvenciájú - hullámhosszúságú fényt alkalmazunk, a fotodiódánkban 1 fotonra jó esetben 1 kiváló elektron jut. Azt viszont nem tudjuk egykönnyen megállapítani a kiszakított elektronból, hogy milyen hullámhosszúságú foton okozta a kiszabadulását. Márpedig a színes fotózás elengedhetetlen feltétele, hogy ismerjük a fény színét, összetételét, vagyis a fotonok hullámhosszát.

A színérzékelés egyik megoldását 1976-ban a Kodak egyik kutatója, Dr. Bryce Bayer találta ki. A róla elnevezett szűrő megoldás valójában pofon egyszerű, persze az ezt követő ún. demosaic eljárás már kevésbé (ez fogja a színenkénti adatokat összerakni egy olyan színes képpé, ahol minden pixelen bármilyen szín előfordulhat). A dolog lényege, hogy egy-egy elemi fotodióda (subpixel) csak egy-egy alapszínt figyeljen. Legyen olyan, amely a vöröset, legyen olyan, amely a kéket és legyen olyan, amely a zöldet (RGB). Ezekből az összetevőkből pedig úgyis meg lehet határozni, hogy a fény milyen színű volt. Megalkották tehát az alapszínszűrőt, amely apró szűrőkből álló mátrixot jelent, ahol a fény egyes összetevői juthatnak el a szűrő alatt elhelyezett fotodiódákig, amelyek majd szépen felfogják a fotonokat, s ahol majd elektronok válhatnak ki. Így lehet külön "mérni" a vörös, a kék és a zöld színösszetevőt.

Igen ám, de a 2x2 szubpixeles blokkokban összesen 4 hely van, alapszínből meg csak 3. Van tehát egy üres hely. Mi legyen ezzel? 1976-ban úgy gondolták, hogy - mivel az emberi szem a zöldre a legérzékenyebb - legyen a zöldet érzékelő szubpixelekből kétszer annyi, mint a vörösből, vagy a kékből (máshogy fogalmazva ugyanannyi zöld érzékeny szubpixel legyen, mint ahány vörös és kék összesen).

Az alap gondolatot persze később finomítgatták, létrehozták a másodlagos színszűrőt, amely a nyomdatechnikában alkalmazotthoz hasonlóan a cián, a bíbor és a sárga színt érzékelte, a zöld mellett (CMYG). 2003-ban a Sony - a DSC-F828 megalkotásakor - szintén picit átgondolta az alapszínszűrőt, s arra a következtetésre jutott, hogy a két zöld érzékelése helyett legyen inkább zöld és smaragd. Az ötletet megvalósították, de túl nagy sikere nem lett. Nem sokkal később a Sony is felhagyott az RGBE színszűrő használatával.

A Kodak mérnökeinek ötlete részleteiben

S most, 2007-ben ismét egy kis finomítás. Ami a Kodak szerint nagy mértékben megváltoztatja majd a digitális fotózást, ezen belül is a kompakt, kis szenzoros gépek képminőségét.

John Compton és John Hamilton nevéhez fűződik az ötlet, amely a következő: miért ne lehetne a hagyományosnak tekinthető Bayer-alapszínszűrőt úgy módosítani, hogy legyenek olyan szubpixelek, amelyek előtt semmiféle szűrő nincs, így azok magasabb érzékenységgel dolgozhatnak, s minden hullámhosszra érzékenyek lehetnek.
Alapjában véve nem egyedi és különleges ötletről van szó, hiszen a csillagászok már régóta használnak igen nagy érzékenységhez színszűrő nélküli különleges megoldásokat, hogy a leghaloványabb égi objektumokat is lencsevégre kaphassák.

Az ötletet ki is próbálták, s létrehozták néhány variációt az új színszűrő lehetséges módozataiból:

Mi szükséges ahhoz, hogy mindezt a jelenleg futó fényképezőgépekhez használhatóvá tegyék? Nos, szerencsére nem sok minden. A Foveon X3 szenzorával az a "baj", hogy a gyártása igen sokban különbözik a hagyományos pixelelrendezésű szenzorok gyártásától. A Kodak új színszűrőjét ugyan le kell gyártani, de az nem fogja befolyásolni a képérzékelő gyártás egyéb momentumát, így aztán teljesen lényegtelen, hogy CCD-t, CMOS-t, kis kompakthoz , vagy nagyobb tükröshöz gyártanak-e, a színszűrőt kell csak cserélni (legalábbis nagy vonalakban nézve, mert ha az A/D konverterek a szubpixel közvetlen közelében találhatók, akkor a nagyobb érzékenység miatt ezeket is módosítani kellene). Ezen kívül természetesen szükség van a bayer-demozaik eljárás algoritmusának frissítésére is, hogy a főként luminencia adatokat tartalmazó színszűrő nélküli szubpixelek értékét és a színinformációkat tartalmazó színszűrős szubpixelek adatait megfelelő módon dolgozzák fel.

Látható tehát, hogy többféle módszer is adódik az új fajta elrendezés alkalmazására, sokan ezt a Kodaknak fel is vetették, hogy miért nem készítenek egy olyan mintát, ahol nem kell 4x4 szubpixelt vizsgálni ahhoz, hogy az összes alapszínt megtaláljuk, hanem elegendő lenne a hagyományos Bayer alapszínszűrőhöz hasonlóan 2x2 szubpixel.

Jelenleg ugyanis azt láthatjuk, hogy az új színszűrőn 50% színszűrő nélküli (pankromatikus), 25% zöld, 12,5% kék és 12,5% vörös található. Vegyük észre, hogy itt is megmaradt a régi módszer, miszerint a zöldből kétszer annyi van, mint a vörösből vagy a kékből. Van aki szerint elegendő lenne, ha ugyanannyi pankromatikus pixelünk lenne, mint bármelyik másik , vagyis 25% vörös, 25% kék, 25% zöld és 25% pankromatikus (ez esetben a hagyományos alapszínszűrő egyik zöldje helyén maradna egy szűrő nélküli). Megint mások azt mondják, hogy legyen 50% színszűrőzött és 50% színszűretlen (ahogy a Kodak megoldásában) de ne legyen olyan nagy távolság az egyes alapszínek között. Ötletekből tehát nincs hiány, de nézzük, mire is elég ez a trükk.

A valóság?

A Kodak néhány bemutató képet is közzétett. Ezekről a fejlesztők azt írták, hogy olyan prototípussal készültek, melyet (vagy melyeket?) kifejezetten az összehasonlíthatóság miatt hoztak létre, s nem szimuláció eredményéből adódtak a képek. Azonos szenzort és azonos optikát használtak, csak a színszűrő más.

Nézzünk néhány képet:

A fenti képekből jól látszik, hogy a Kodak új megoldásában is észrevenni igen erős zajszűrést. A hagyományos technológiával készült képnél viszont nincs semmiféle zajszűrés. Talán ebből következően meredek is így fej-fej mellett összevetni, ezért a forrásképből készítettem egy erősen zajszűrt változatot, hátha azzal többre megyünk. Amit érdemes megnézni, hogy a Kodak új technológiával készült képén valamiért kissé pirosas lett a szem fehérje, viszont a kontúrok jobbak, mint az utólag NeatImage-dzsel zajszűrt képen.

Ha csak a két alsó képet nézzük, akkor látható, hogy van fantázia a dologban. Mégha nem is esünk hasra a csodálkozástól.

A következő képekkel a Kodak azt a módszert demonstrálta, amit több gyártó már a mai érzékelőknél is alkalmaz. A gyorsan mozgó témák megállításához a fényképezőgépek gyakran magasabb érzékenységet alkalmaznak. Ez az eljárás azonban a hagyományos színszűrővel felszerelt szenzoroknál rendszerint zajosabb képeket eredményez. A pankromatikus pixelek ebben az esetben is javíthatják a kép minőségét.

A képek igazolni látszanak a Kodak mérnökeinek állításait, de van azért néhány furcsaság, amit érdemes észrevenni:

1. Ahogy már az előző tesztképen is láttuk, a fehérek néha bepirosodnak, itt is ez látható a felső két kivágáson, a fog a Kodak képén pirosas elszíneződésű
2. Furcsa a fekete és világosabb területek átmenete, mintha egy Photoshopban járatlan ember vágta volna körbe a sötét részt és festette volna feketére. Ez látható a középső két kivágáson, ahol a zsonglőr fekete pólója kilóg a szürke ing alól. Míg a hagyományos módszernél a megszokott lágy átmenetet látjuk, a Kodak képe igen kemény e téren, ugyanakkor a gallér aljánál ismét a szokásos lágy átmenet figyelhető meg.
3. S végül a legalsó két kivágáson egy újabb érdekesség: a Kodak új technológiával készült képein piros és kék elszíneződés látszik az ing alját képező vonalon.

A nagyobb dinamikatartomány, illetve az alacsonyabb képzaj elérésére nem ez volt az első próbálkozás a hagyományos képérzékelők bevezetése óta. A legemlékezetesebb talán a Fujifilm által kifejlesztett Super CCD volt, aminek SR változatát kimondottan nagyobb dinamikatartomány elérésére tervezték. A valóságban azonban a Super CCD SR nem tudott számottevő előnyt felmutatni, miközben a másik Super CCD variánssal a HR-rel szerelt kompakt fényképezőgépek a legjobban teljesítő modellek között szerepelnek a nagy érzékenységű képek területén.

Persze nyilván nem lesz egyszerű dolga a Kodaknak a technológia bevezetésével, de ha több éves kutatómunkájukat siker koronázza, akkor ez megmentheti a céget a fotó ágazatból való teljes kiszorulástól. A gyermekbetegségek kiküszöbölése után ez a technológia lehet hosszú idő után az első, amellyel minden kategóriában ugrásszerű képminőség javulást lehetne elréni.