Расчет цвета в ПЗС-матрицах. Искажения цвета

Основные цвета аддитивного синтеза — цвета излучений. В трехцветном (RGB) аддитивном синтезе используются синий (blue — В), зеленый (green — G) и красный (red — R) цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Основные цвета — цвета оптических излучений или красителей, используемые для создания цветных изображений. Различают основные цвета аддитивного и субтрактивного синтеза, то есть со сложением и вычитанием цветов.

Такие основные цвета являются линейно независимыми, так как ни один из них не может быть получен оптическим смешением излучений двух других. Оптическим смешением синтезируют множество цветов, различающихся по цветовому тону, насыщенности и светлоте.

В субтрактивном синтезе используются цвета красителей. В качестве основных фигурируют желтый (yellow — Y), пурпурный (magenta — М) и голубой (cyan — С). Основной цвет субтрак-тивного синтеза называется дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если красителем первого практически полностью поглощается излучение второго. Например, желтый цвет является дополнительным к синему, пурпурный — к зеленому, голубой — к красному.

Аддитивный синтез является «родным» для компьютерных устройств, в первую очередь, для монитора. В нем изображение создается тремя лучами (RGB). А вот принтеры пользуются субтрактивным синтезом, причем в дополнение к CMY-цветам используется также черный, обозначаемый литерой К — blасk. Добавление черного цвета вызвано тем, что избыток основных красителей, вызываемый необходимостью передать темные тона, может привести к разбуханию бумаги.

Следует помнить, что диапазон цветов, отображаемых с помощью цветовой модели CMY, меньше, чем множество цветов, генерируемых RGB-синтезом. Тем не менее для формирования светофильтров в ходу обе модели.

Напомню, как формируется изображение с использованием так называемой Байеровской схемы размещения элементов. Поскольку ПЗС-элементы способны регистрировать яркость, но не цвет, перед каждым из них устанавливается светофильтр, ограничивающий диапазон цветовых оттенков. Байеровская схема использует чередование R-G-B-G (красный-зеленый-синий-зеленый).

Рис. 3.10. Расположение светофильтров в Байеровской схеме

Дополнительные «зеленые» элементы служат для вычисления яркости и контрастности изображения, это объясняется восприимчивостью человеческого зрения именно к этому цвету.

В результате получается три «мозаики» — по одной для каждого из цветовых каналов. Сложив их вместе, получаем четвертую «мозаику».

Для ликвидации «эффекта мозаики» используется алгоритм, основная суть которого сводится к следующему. Например, там, где установлен пиксел с зеленым светофильтром, мы точно знаем только о яркости зеленого цвета.

Но в соседних восьми точках известны значения как зеленого, так и синего и красного цветов, поэтому возможно определить их среднее значение и для нашего пиксела. Сложив их вместе, получаем значение исходного цвета в данной точке.
Регулярная структура размещения элементов в некоторых случаях приводит к появлению муара. Возможность появления данного искажения зависит от сложности алгоритма, ответственного за расчет цвета. Если при расчете каждой точки учитываются не только соседние пикселы, но и элементы, расположенные на расстоянии 10 и более точек, вероятность возникновения муара очень мала. В идеале для расчета каждой точки желательно использовать информацию обо всех элементах матрицы данного цвета. Разумеется, что для таких интенсивных расчетов требуются высокопроизводительные микропроцессоры и большие объемы ОЗУ.

Следует отметить также, что некоторые производители фотоаппаратов используют схемы CMY (голубой-пурпурный-желтый) и CMYG (голубой-пурпурный-желтый-зеленый).

Рис. 3.13. Расположение светофильтров в субтрактивной Байеровской схеме

Избыток зеленого, как и в случае со схемой RGBG, вызван необходимостью точного расчета контрастности. Чтобы понять причины появления этих альтернативных схем, необходимо вспомнить, каким образом создаются светофильтры над пикселами. Тонкие пленки, наносимые на элементы матрицы, образуются CMY-красителями. Например, красный — комбинация пурпурного и желтого красителей, синий — пурпурного и голубого, зеленый — желтого и голубого. Используя только один слой красителя вместо двух, можно улучшить светопроницаемость светофильтра и повысить чувствительность матрицы. Основное препятствие на пути распространения схем CMY и CMYG -некоторая сложность расчета цвета. Достаточно вспомнить диапазон цветов, генерируемых аддитивным и субтрактивным синтезами, — с помощью модели RGB оттенков генерируется больше, то есть производители сознательно уменьшают диапазон воспроизводимых цветов.