Технология сдвига датчика для фотографий с высоким разрешением

В последние годы многие производители выпустили фотокамеры, способные создавать изображения высокого разрешения с использованием технологии Sensor-Shift. Эта технология стала возможной с появлением механизма стабилизации изображения IBIS (англ. in-body image stabilization). У технологии есть несколько названий - режим высокого разрешения (High-Resolution Mode), система разрешения смещения пикселей (Pixel Shifting Resolution System), режим серийной съемки со сдвигом пикселей (Pixel Shift Multi Shooting Mode). Суть ее в том, что несколько изображений одного и того же вида накладываются и смешиваются для создания единого изображения с высоким разрешением.

Разные подходы к фотографированию со сдвигом датчика

Механизм захвата изображения со сдвигом датчика из дорогих специализированных камер был перенесен в более доступные новые фотоаппараты, ориентированные на высокое разрешение. Сегодня, помимо H6D-400c от Hasselblad (изображения с разрешением 400 мегапикселей), есть предложения от Olympus, Pentax, Sony и Panasonic. Примерами камер, использующих эту технологию, являются Olympus OM-D E-M1 Mark II (Micro Four Thirds), Pentax K-1 Mark II DSLR, Sony a7R III и Panasonic Lumix DC-G9 (Micro Four Thirds).

Как работает технология сдвига датчика?

Цифровые камеры используют светочувствительные фотодиоды для записи света, падающего на датчик. Красный, зеленый и синий (RGB) цветофильтры на датчике обычно расположены по определенной схеме, известной как матрица Байера (фильтр Байера). В фильтре Байера зеленых цветоэлементов вдвое больше, чем красных или синих, потому что человеческое зрение наиболее приспособлено к разрешению деталей зеленого цвета. На изображении цветной пиксель создается путем смешивания этих цветоэлементов.

Датчик не знает, сколько красного цвета в месте расположения зеленого или синего датчика, поэтому требуется интерполяция, что может создать некоторые артефакты на фотографиях.

Статические датчики

В обычной камере без IBIS каждый цветоэлемент записывает свет только одного цвета в одном месте, поэтому данные, которые он записывает, технически неполны. В матрице Байера используется кластер световых сегментов для создания одного пикселя в цифровом изображении, но внутри этого пикселя есть два зеленых сегмента, один синий и один красный.

Собранные данные проходят процесс интерполяции, когда присваиваются значения для всех трех цветов для каждого цветоэлемента на основе общих значений, зарегистрированных соседними цветоэлементами. Далее полученные цвета выводятся в виде сетки пикселей, и создается цифровая фотография. Отчасти поэтому изображения RAW имеют немного более мягкий фокус и нуждаются в повышении резкости в процессе постобработки.

Датчики движения

IBIS означает, что сенсоры немного двигаются, чтобы приспособиться к малозаметным движениям камеры. Это необходимо для того, чтобы изображение оставалось стабильным. Стабилизация достигается за счет микрорегулировки положения датчика. Для изображений со сдвигом датчика используются те же самые микрокоррекции. По сути, датчик перемещается не для того, чтобы приспособиться к внешним возмущениям, а для того, чтобы каждая часть изображения содержала полноцветную информацию.

Цветоэлементы, а не пиксели

Камеры часто оцениваются по количеству мегапикселей в качестве меры их разрешающей способности, но это сбивает с толку, потому что у камер на самом деле нет пикселей, только цветоэлементы.

Пиксели появляются в изображении, полученном при обработке данных с датчика. Термин «сдвиг пикселей» (pixel-shift) вводит в заблуждение. Пиксели не двигаются, это движутся сенсоры, на которых есть цветоэлементы. При захвате изображения каждый элемент записывает данные для красного, зеленого или синего света. Эти данные интерполируются компьютером, так что каждый пиксель полученной цифровой фотографии имеет значение для всех трех цветов.

Сдвиг датчика

Камеры со сдвигом датчика пытаются уменьшить влияние интерполяции, собирая данные о цвете для красного, зеленого и синего цветов для каждого результирующего пикселя путем физического перемещения датчика камеры. Рассмотрим квадрат размером 2х2 пикселя, взятый с цифровой фотографии.

Обычный цифровой захват с использованием массива Байера будет записывать данные с четырех элементов: двух зеленых, одного синего и одного красного. Технически это означает, что отсутствуют данные для синего и красного света на зеленых элементах, данных зеленого и красного на синих элементах и ​​синих, и зеленых на красных элементах. Чтобы решить эту проблему, недостающие значения цвета для каждого сайта будут определены в процессе интерполяции.

Но что, если вам не нужно было угадывать? Что, если бы у вас был реальный цвет (красный, синий и зеленый) для каждого элемента? Эта концепция лежит в основе технологии сдвига датчиков.

Рассмотрим квадрат размером 2х2 пикселей на цифровой фотографии, созданной с использованием технологии сдвига пикселей. Первое фото начинается как обычно с данных, записанных с четырех элементов. Далее камера перемещает датчик, чтобы сместить цветоэлементы, и снова делает тот же снимок.

Повторим этот процесс. Таким образом для каждого пикселя получены световые данные с четырех элементов (2 зеленых, 1 красный, 1 синий), что приводит к лучшим значениям цвета для каждого местоположения и меньшей интерполяции.

Таким образом работают режимы множественной съемки Sony со сдвигом пикселей и система разрешения сдвига пикселей от Pentax. Использование этих режимов не увеличивает общее количество пикселей в конечном изображении, тут улучшаются точность цветопередачи и детализация.

Режим высокого разрешения камер Panasonic и Olympus, в которых используются датчики Micro Four Thirds, использует более тонкий подход, объединяя восемь экспозиций, сделанных на расстоянии ½ пикселя друг от друга. В отличие от Sony и Pentax, это значительно увеличивает количество пикселей в итоговом изображении.

Каковы преимущества использования сдвига датчика?

• Шум и улучшенное разрешение

При съемке нескольких изображений с небольшим изменением положения датчика разрешение изображения увеличивается, но вместе с ним увеличивается и цветовая информация в изображениях. Это позволяет схожим изображениям обеспечивать более глубокую детализацию изображения со смягченными цветами, меньшим шумом и лучшей детализацией.

• Меньше муара

Муар - это появление шума или артефактов на изображениях с четкими регулярными рисунками (паттернами). У камеры есть проблемы с разрешением таких рисунков, связанные с паттернами размещения пикселей на сенсорной матрице. Цветовая информация для красных, зеленых и синих участков имеет проблемы на краях этих зон, так что в изображение записывается не весь цвет. Но при сдвиге сенсора весь цвет для каждого места записывается, поэтому муар имеет тенденцию исчезать.

Почему бы не использовать это для каждого изображения?

Главная причина в том, что вам нужно сделать несколько изображений одной сцены, что не подходит для движущихся объектов. Для данной технологии требуется как минимум в 4 раза больше времени экспозиции, чем при захвате одного изображения. Это дает 4 возможности для смещения части композиции или камеры во время захвата изображения и ухудшает качество фото.

Таким образом применение технологии ограничивается натюрмортами и статической фотографией.

Ограничения

Самая большая проблема при съемке со сдвигом датчика, - это движущиеся объекты. Кроме того, попытка связать моноблок с камерой с помощью захвата изображения со сдвигом пикселей может быть затруднена из-за скорости захвата изображения, ограничений повторного использования вспышки и общих проблем совместимости. Производители знают об этих проблемах и работают над их решением.

Преимущество для производителей состоит в том, что изображения более высокого качества получаются без потребности в дорогих датчиках с высокой плотностью пикселей. Преимущества для пользователя заключаются в том, что фотографии содержат лучшую информацию о шуме и цвете.