Байер, демозаик и «цветовая наука»

Фотодиод не различает цвет. Он считает фотоны — и фотон синего света для него ничем не отличается от фотона красного. Матрица, если её оставить как есть, снимает исключительно чёрно-белое изображение.

Всё, что мы называем цветом в цифровой фотографии, — результат хитрости, придуманной в 1970-х и с тех пор почти не менявшейся.

Мозаика Байера

Поверх матрицы кладут сетку цветных светофильтров: над каждым пикселем — один фильтр, красный, зелёный или синий. Так каждый пиксель начинает измерять яркость только в своей части спектра.

Расположены фильтры повторяющимся квадратом 2 × 2:

R G
G B

Зелёных вдвое больше, чем красных и синих. Причина в человеке: наше зрение наиболее чувствительно к яркости в зелёной области спектра, поэтому именно зелёный канал несёт основную информацию о резкости и деталях.

Следствие, которое стоит осознать: у каждого пикселя есть только одно измерение из трёх. Красный пиксель ничего не знает о синем и зелёном в своей точке.

Демозаик: две трети картинки достраиваются

Недостающие значения вычисляются по соседям — это и есть демозаик (дебайеризация). Алгоритмы бывают разной сложности, но суть одна: две трети цветовой информации в файле не измерены, а восстановлены интерполяцией.

Отсюда несколько практических следствий.

Реальное цветовое разрешение ниже пиксельного. Двадцать мегапикселей — это двадцать миллионов измерений яркости, но лишь около пяти миллионов честных измерений красного.

Муар и ложные цвета. Когда в кадр попадает регулярная структура с шагом, близким к шагу мозаики, — ткань в мелкую сетку, сетка-рабица, черепица издалека, — алгоритм интерполяции ошибается и рисует радужные разводы. Это не брак камеры, а неизбежное следствие дискретизации.

Раньше с этим боролись оптическим сглаживающим фильтром перед матрицей, слегка размывающим изображение. Сегодня его часто убирают ради детализации — и муар возвращается. Бороться с ним на съёмке проще всего сменой дистанции или ракурса: чуть изменил масштаб структуры — совпадение шагов пропало.

Откуда берётся цвет как цвет

После демозаика у каждого пикселя есть три числа — сколько света прошло через красный, зелёный и синий фильтры этой камеры. Но это ещё не цвет: это показания трёх конкретных датчиков с конкретными спектральными характеристиками.

Чтобы превратить их в цвет, применяют две операции:

1. Баланс белого. Каналы умножаются на коэффициенты так, чтобы нейтральная поверхность в сцене стала нейтральной в файле. Это буквально три множителя — вот почему в RAW баланс белого меняется бесплатно и без потерь: он ещё не был применён.

2. Матрица цветового преобразования. Матрица 3 × 3, переводящая показания конкретных фильтров камеры в стандартное цветовое пространство (sRGB, BT.709 и подобные). Её коэффициенты подбирает производитель, измеряя реальные спектральные чувствительности своей матрицы.

Почему «правильного» цвета не существует

Здесь смыкается всё, что мы разбирали про спектр и метамерию.

Камера измеряет спектр через три фильтра, глаз — через три типа колбочек, и характеристики у них разные. Поэтому два источника света, выглядящие для глаза одинаково белыми, камера может записать по-разному — и это не ошибка, а неизбежность.

Из этого следует не пессимизм, а метод: раз абсолютной истины нет, нужна опорная точка в кадре. Серая карта или хотя бы белый лист, снятый один раз в начале съёмки при том же свете, превращает баланс белого из спора о вкусах в измерение — и заодно даёт возможность свести материал с разных камер.

Другие подходы

Байер не единственный способ, просто победивший.

• Некоторые производители используют другой рисунок мозаики с менее регулярной структурой — это снижает муар ценой более сложного демозаика.
• Существовали матрицы, где три светочувствительных слоя расположены друг под другом, и каждый пиксель измеряет все три цвета честно. Демозаик им не нужен, цветовое разрешение выше — но по совокупности характеристик они не вытеснили Байер.

Знать про это стоит ровно для того, чтобы понимать: мозаика — инженерный компромисс, а не закон природы.