Что такое фильтр Байера в камере смартфона

Для того, чтобы фотосенсор камеры смартфона мог воспринимать цвет, используется технологическое решение, известное как фильтр Байера.


Оно было предложено более тридцати лет назад Брайсом Байером, работавшим в компании Kodak, но реальная альтернатива ему появилась только в последние годы в лице многослойных сенсоров Foreon X3.

А пока их не довели до ума, все камеры в гаджетах пользуются байеровской схемой.

Как это устроено

Монохромный фотосенсор представляет собой матрицу, состоящую из светочувствительных элементов: фоторезисторов или фотодиодов.

Поскольку сам по себе они не способны различать свет, то формируемый каждым из таких элементов пиксель способен передавать только оттенки серого.

Чтобы получить цвет, фотоприемники группируются в так называемые массивы Байера, состоящие из нескольких субпикселей.


В простейшем варианте их четыре, но на практике наиболее распространенным на сегодняшний день считается массив из двенадцати элементов.

Каждый такой массив формирует один пиксель цветного изображения, передаваемого через АЦП для обработки процессором устройства.


Это достигается за счет использования двумерного фильтра, состоящего из участков трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Каждый субпиксель прикрыт участком своего цвета, благодаря чему на него попадает только отфильтрованная составляющая спектра.

Четырех фотоприемников для получения четкого изображения недостаточно – неизбежно возникает зернистость.


Поэтому приходится использовать алгоритмы интерполяции, из-за чего число субпикселей, необходимых для формирования одной точки растра, еще более возрастает.

Из-за особенностей человеческого цветовосприятия количество зеленых субпикселей вдвое больше, чем красных и синих. Поэтому такая схема расположения получила название RGBG.

В конце 90-х появились фотосенсоры, в фильтрах которых использовалась инвертированная схема CYGM, в которой цвет формируется при помощи субтрактивной схемы.

В них использовались другие цвета: сине-зеленый (cyan), желтый (yelow), зеленый (green) и карминный (magenta). Они были созданы для исправления основного недостатка байеровской схемы – низкого светопропускания.


При использовании RGBG схемы для формирования итоговой картинки требуется три изображения, из которых она и собирается в процессе дебайеризации. А значит, исходный световой поток режется в три раза.

Субтрактивная схема позволила увеличить светопропускание, но сильно ухудшила цветопередачу, поэтому данная технология не прижилась.

Возможные альтернативы

Наиболее качественным методом формирования цветного изображения считается 3CCD, при использовании которого световой поток разделяется с помощью системы призм.

Устройства, использующие данный принцип, дороги и имеют внушительные габариты, поэтому для мобильных устройств он совершенно не подходит.


Более перспективным представляется Foveon X3 – тип фотоматриц, активно использующихся в фотоаппаратах. В качестве цветового фильтра используются сами фотодиоды, располагающиеся в три слоя.

Поглощение синей доли светового потока происходит в основном верхним слоем, зеленой – средним, а красной – нижним. Это достигается благодаря зависимости коэффициента поглощения от длины световой волны.

В заключение

Как показывает опыт, пока что традиционный фильтр Байера остается наиболее адекватным способом получения цветного изображения в сенсорах камер мобильных устройств.


Всевозможные эксперименты компаний, производящих фототехнику, не принесли сколь-нибудь удачного результата: получая небольшой выигрыш в одной характеристике, такие системы крупно проигрывали в нескольких других.

Поэтому в ближайшем будущем альтернативы байеровской схеме нет. Что же касается многослойных матриц компании Foveon, то в мобильных устройствах они пока не используются, а перспективность технологии не гарантирует ее успешности.