SNEMALNA VEZJA
13
UVOD
Šumi, šumi ­ digitalna foto-
grafija; slikovni šum digitalnih
posnetkov je verjetno poznan že
vsakomur, ki si je omislil digital-
ni fotoaparat. Povzročajo ga pa-
razitski signali oziroma tok zate-
mnitve (dark current), ki nastane
v snemalnem vezju, tudi ko ni
osvetljeno. Znano je, da je obra-
tnosorazmeren z velikostjo sne-
malnega vezja, njegovo geome-
trijsko ločljivostjo in splošno ob-
čutljivostjo. Torej:
◆ večje ko je pri istem številu
fotoelementov snemalno vezje,
manj slikovnega šuma povzroča
(fotoelementi so razmeroma veli-
ki),
◆ več ko je fotoelementov na
snemalnem vezju iste velikosti,
večji je slikovni šum posnetka
(fotoelementi so razmeroma ma-
jhni),
◆ večja ko je splošna občutlji-
vost snemalnega vezja, bolj šu-
meči so posnetki.
S slikovnimšumom se proizva-
jalci digitalnih fotoaparatov spo-
padajo zlasti z ustreznimi algorit-
mi v slikovnih procesorjih, to je
pri konvertiranju signalov v sli-
kovne elemente oziroma piksle.
Tu se pojavljajo druge napake,
najpogosteje razostritev, posteri-
ziranje in fragmentiranje. Edina
prava rešitev pa je seveda zmanj-
šanje ali izničenje slikovnega šu-
ma pri njegovem izviru na sne-
malnem vezju. V tem smislu so
ta v zadnjih letihže zelo izboljša-
li, tako da pri enaki velikosti in
podvojeni geometrični ločljivosti
(12 namesto 6 milijonov fotoele-
mentov) povzročajo enako ali ce-
lo manj šuma. Vseeno je še ve-
dno prisoten, izražen zlasti pri
posnetkih zahtevnih motivov z
visoko splošno občutljivostjo in
zelo veliko ekspozicijo. Običajno
DIGITALNA
FOTOGRAFIJA
SE ZGLEDUJE
PO OČESU
jih z amaterskimi kompaktnimi
kamerami brez šuma sploh ni
mogoče posneti.
◆ Pozor! Šumenje posnetkov
je odvisno tudi od kakovosti mo-
nitorja in aplikacije oziroma pro-
gramske opreme, s katero upoda-
bljamo digitalno sliko. Potrošni-
ška oprema ga pogosto ne upo-
dobi, zato je razočaranje v fotola-
boratoriju toliko večje.
NE POZABI SE
SPOMINJATI OČESA
Navedenemu v izogib je Kitajec
Gang Luo poleti leta 2006 pre-
dlagal, že leta 1999 pa patentiral
novo zasnovo snemalnih vezij.
Ker je njegova raziskovalna de-
javnost usmerjena k preučevanju
našega vida, je razumljivo, da se
je pri tem zgledoval prav po
ustrojučloveškega očesa.Že dol-
go se učimo, da so na njegovi
mrežnici tri vrstečepkov (RGB),
s katerimi zaznavamo barve, in
paličke, s katerimi zaznavamo
zgolj svetlost barvnih dražljajev.
Tudi to vemo, da je svetlobna
občutljivost paličk veliko večja
kot občutljivostčepkov. Pri slabi
osvetljenosti so aktivirane samo
paličke, zato barv ne vidimo in
vse krave so ponoči črne­ no,
temno sive. Le kaj torej še čaka-
mo;že zdavnaj bi lahko zasnovali
tudi podobno snemalno vezje za
digitalno kamero. Na njem bi bi-
li namesto paličk pankromatski
fotoelementi (občutljivi na vse
barvne dražljaje, na vse valovne
dolžine spektra, tudi t. i. panpi-
ksli), kar bi bistveno povečalo
njegovo splošno občutljivost,
poleg njih pa namesto čepkov
(mono)kromatični fotoelementi
s filtri, občutljivimi za posame-
zna spektralna območja: rdeče,
zeleno in modro.
Večina snemalnih vezij je za se-
daj zasnovana po Bayerjevem na-
čelu. Kodakov sodelavec dr. Bry-
ce E. Bayer je namreč leta
1975/76 predlagal in razvil
strukturo oziroma razporeditev
(CFA: Color Filter Array), pri
kateri so pred fotoelementi izme-
nično nameščeni rdeči, zeleni in
modri filtri, s tem da je polovica
zelenih, po četrtina pa rdečih in
modrih. Na 12-milijonskem vez-
ju je torej šest milijonov zelenih
in po tri milijone zelenih in rde-
čih fotoelementov; slika 1. Ker
vsak izmed (aditivno) primarnih
filtrov RGB prepušča zgolj tretji-
no vpadne (bele) svetlobe, se
močno zmanjša splošna občutlji-
vost vezja, še zlasti pri kompak-
tnih kamerah, pri katerih so fo-
toelementi zelo majhni. Da bi se
te zadrege rešili, so v preteklosti
skušali uporabiti (aditivno) se-
kundarne filtre CMY: cian na-
mesto rdečega, magento name-
Slika 1. Klasična Bayerjeva struktura snemalnega vezja je do danes postala stan-
dard digitalne fotografije.

SPLOŠNA OBČUTLJIVOST
14
sto zelenega in rumenega name-
sto modrega. Vsak sekundarni
filter prepušča dve tretjini bele
svetlobe, zato se občutljivost sne-
malnega vezja močno poveča.
Ker pa digitalna fotografija kot
televizija temelji na aditivnem
mešanju barvnih dražljajev, so
morali pridobljene sekundarne
signale CMY pretvoriti nazaj v
primarne RGB. Pri tem so se po-
javile nepremostljive težave v
zvezi z upodabljanjem barv, zato
so tehnologijo opustili; slika 2.
Gang Luo je svoje snemalno
vezje zasnoval tako, da ima več
kot polovico nefiltriranih pan-
kromatičnih fotoelementov, pre-
ostanek pa je razdeljen na četrti-
no zelenih in po osmino rdečih
in modrih; slika 3. Nefiltrirani
fotoelementi uporabijo za sne-
manje vso razpoložljivo svetlobo,
razmerje med informacijskim si-
gnalom in tokom zatemnitve v
vezju se močno poveča, splošno
postanejo zelo občutljivi, to pa v
slabih svetlobnih razmerah pri-
Slika 2. Snemalni vezji RGB in CMY v nasprotju. Splošna občutljivost drugega je veliko (približnošestkrat) večja od prvega,žal
pa so pridobljeni piksli zaradi preračunov barvno oporečni.
Slika 3. Snemalno vezje Ganga Lua ima
v naslovni mreži (8 × 8) 48 nefiltriranih
fotoelementov, osem je zelenih, poštir-
je pa so rdeči in modri. Pri snemalnem
vezju z desetimi milijoni fotoelementov
bi to pomenilo, da je 7,500.000 pankro-
matskih, 1,250.000 zelenih in po
625.000 rdečih in modrih.
Slika 4. Uspešnost nove zasnove snemalnega vezja je Gang Luo dokazoval s simulacijo na podlagi podosvetljenih surovih po-
snetkov (slikovni format RAW), ki jih je izdelal z digitalnim fotoaparatom Canon 30D. Ta ima na snemalnem vezju formata APS-
C (22,5× 15,0 mm) po Bayerjevem načelu razporejenih 8,5 milijona fotoelementov. Pri tej razporeditvi se pojavi močan slikovni
šum (levo), pri Luovi izgine, izboljša pa se tudi upodabljanje podrobnosti (desno).
pomore k bistveno manjšemu
slikovnemu šumu in boljšemu
upodabljanju podrobnosti. Si-
gnali fotoelementov RGB se
uporabljajo samo še za procesira-
nje in upodabljanje barv, med-
tem ko za podrobnosti in ostrino
poskrbijo signali nefiltriranih
pankromatskih fotoelementov.
Posnetek ni zaradi tega prav nič
osiromašen, ker tudi naše oko za-
znava podrobnosti in ostrino na
podlagi svetlosti in ne kromatič-
nosti in barvitosti. Kromatični
signali so lahko veliko manj de-
tajlirani kot akromatični. To dej-
stvo praktično dokazuje pretvar-
janje in prenašanje televizijskih
signalov pa tudi mnogi postopki
za kompresiranje digitalnih slik
(JPEG v številnih digitalnih ka-
merah). Rezultate Luovega sne-
malnega vezja ponazarja slika 4.
KODAK PREVZEMA
POBUDO
Prednosti zamisli Ganga Lua
sta očitno spoznala Kodakova so-
delavca John Compton in John
Hamilton (slika 5) ter letos juni-
ja predstavila zasnovo treh novih
snemalnih vezij, ki imajo 50 od-
stotkov nefiltriranih fotoelemen-
tov, 25 odstotkov je zelenih, po
12,5 odstotka pa rdečih in mo-
drih. Vsakemu fotoelementu s
filtrom sledi eden brez njega,
strukturirani pa so, kot se vidi na
sliki 6. Kodak navaja, da je te
strukture mogoče uporabiti pri
katerem koli snemalnem vezju,
ne glede na njegovo velikost, ge-
40
35
30
25
20
15
10
5
0
350 450 550 650
Snemalno vezje RGB
valovna dolæina (nm)
absolutna uËinkovitost (%)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
350 450 550 650
Snemalno vezje CMY
valovna dolæina (nm)
absolutna uËinkovitost (%)

STRUKTURE SNEMALNIH VEZIJ CFA
15
Slika 5. Kodakova sodelavca John
Compton, levo, John Hamilton, desno,
sta očitno privzela Luovo zamisel.
Slika 6. Tri nove Kodakove zasnove
snemalnih vezij: strukture A, B in C so
še v eksperimentalni fazi in naj bi jih
praktično realizirali v prvi polovici leta
2008.
ometrično ločljivost ali vrsto
(CCD/CMOS). Trdijo tudi, da
zaradi povečane občutljivosti
lahko fotografiramo pri dvakrat
do štirikrat manjši ekspoziciji
(krajši čas ali bolj zaprta zaslon-
ka), zaradi večje splošne občutlji-
vosti lahko pri istem formatu
uporabljamo manjše fotoele-
mente, kar posledično vodi do
višje ločljivosti digitalnih posnet-
kov.
K novim snemalnim vezjem so-
dijo seveda tudi ustrezni algorit-
mi za rekonstrukcijo surovih po-
datkov oziroma za pretvarjanje v
slikovne elemente. Signale iz bolj
občutljivih pankromatskih foto-
elementov uporabljajo za rekon-
strukcijo svetlosti (kanal L oziro-
ma visokoločljiv črno-bel barvni
izvleček), nizkoločljive kroma-
tične informacije (C) pa tvorijo
iz filtriranih signalov RGB. La-
boratorijski rezultat nove struk-
ture A v primerjavi s standardno
Bayerjevo ponazarja slika 7.
Marko KUMAR
VIRI
Homepage of Gang Luo
http://www.geocities.com/Athens/Libra-
ry/9805/, 5. 11. 2007
Kodak's Brilliant Idea
http://theonlinephotographer.typepad.com/
the_online_photographer/2007/06/kodaks_bril-
lian.html, 6. 11 2007
New sensor tech promises improved sensitivity
http://www.imaging-resoursce.com/
NEWS/1181811769.html, 6. 11. 2007
Slika 7. Nova struktura snemalnega vezja (CFA) povzroča v slabih svetlobnih raz-
merah veliko manj slikovnegašuma kot Bayerjeva. Izboljšuje tudi učinkovitost digi-
talne kamere pri akcijski fotografiji. Slike niso simulacija, marveč eksperimentalni
posnetki s pravimi snemalnimi vezji (zagotovilo Kodaka).
Kodak High Sensitivity Image Sensor Tech
http://www.dpreview.com/news/
0706/0706140kodakhighsens.asp, 14. 6. 2007
Dietmar Wüller
Geringeres Rauschen
Neues Kodak-konzept für empfindlichere
Sensoren
Color Foto, 11/2007, str. 50­51
Melissa J. Perenson, PC World
New Kodak Sensors See Well in Dark
http://www.pcworld.com/article/id,132865/ar-
ticle.html?tk=nl_dnxnws, 6. 11. 2007
Marko Kumar
Dekodifikacija sporočilnega naboja slik
Grafičar 3/2005, str. 21­30
Marko Kumar
Tehnologija grafičnih procesov
Center za poklicno izobraževanje
Republike Slovenije
Ljubljana 2007