צילום דיגיטלי א: מסנן הבאייר

הקדמה

מאמר זה הוא הראשון בסדרת מאמרים שיעסקו באופן פעולת המצלמה הדיגיטלית. בסדרת מאמרים זאת נדבר על התהליך אותו עובר האור בתוך המצלמה מרגע פגיעתו בעדשה ועד הקלטת התמונה לזכרון המצלמה. במאמר זה נדבר על מסננים, דרכם עובר האור לפני שהוא פוגע בחיישן המצלמה, בדגש על מסנן הבאייר שאחראי על קביעת הצבע של התמונה.

איך צילמה מצלמת הפילים

לפני עידן הצילום הדיגיטלי המציאות בקולנוע הייתה פילים. האור היה חודר אל המצלמה דרך העדשה ופוגע במישור המוקד עליו ממוקם הפילים (חומר רגיש לאור). התמונה הייתה מתקבעת על הפילים בתהליך כימי ו וואלה - יש לנו סרט.

שלבי הצילום הדיגיטלי

כשאנו מדברים על צילום דיגיטלי ההתרחשות מאחורי הקלעים מעט מורכבת יותר, הבה נעבור על השלבים שעובר האור מרגע כניסתו למצלמה ועד לשמירת התמונה בזיכרון המצלמה.

מסנן אינפרא אדום (IR Filter)

המסנן הראשון שהאור יעבור דרכו, יהיה המסנן האינפרא אדום. המצלמה מסוגלת לקלוט טווח אורכי גל גדול יותר מהעין האנושית, בין היתר אור אינפרא אדום אשר מופץ ממקורות אור רבים (כולל השמש). במידה ואור זה לא יסונן הוא יעוות את הצבעים שנראה ויגרום להם להראות מוזרים. מסנן זה יוריד כל אור אינפרא אדום שעלול לפגוע בתמונה הסופית.

בתמונה שתצולם ללא מסנן אינפרא אדום הצבעים יתעוותו מכיוון שאורך גל זה הוא אינו חלק מהספקטרום, טווח הצבעים הנראה לעין.

מסנן באייר (Bayer filter)

חיישן המצלמה הוא מעין משטח מרושת בפיקסלים רגישים לאור, על פעולותו נרחיב במאמר על חיישנים אבל לצורכי מאמר זה נגיד שאחת מתכונותיו היא: שהוא מסוגל למדוד את בהירות האור על ידי מדידת כמות הפוטונים שפוגעים בכל פיקסל, אבל הוא אינו יודע מה אורך הגל (צבע) של האור שפגע בפיקסל - הוא עיוור צבעים, הוא מציג פיקסלים בבהירות שנעה משחור לאפור ללבן, את הגוון שלהם. כאן נכנס לתמונה מסנן הבאייר שממוקם למעשה לפני החיישן.

מסנן הבאייר ממוקם בין המיקרו עדשה לחיישן.

החיישן עצמו הוא עיוור צבעים אבל הוא מזהה את בהירות הצבע לפי כמות הפוטונים שפוגעים בכל פיקסל.

מסנן הבאייר מורכב מאותה כמות פיקסלים ככמות הפיקסלים על החיישן בהתאמה, כך שכל פיקסל על המסנן מתלבש על כל פיקסל של החיישן. הפיקסלים של הבאייר פילטר צבועים בשלושת צבעי היסוד - אדום\ירוק\כחול. (כמובן שעל חיישן ועל המסנן האמיתי יהיו אלפי ואף מיליוני פיקסלים, כמות הפיקסלים בציור הינה להמחשה בלבד).

באייר פילטר.

הפיקסלים על הבאייר פילטר מסודרים תמיד בסדר קבוע, ניתן להסתכל על כך בכמה דרכים בל מקרה התוצא תיהיה אותה תוצאה.

דרך ראשונה

קבוצה של כל ארבעה פיקסלים תיהיה תמיד מורכבת משמאל לימין כך: פיקסל אדום, פיקסל ירוק, פיקסל כחול, פיקסל ירוק. כאשר נסדר את קבוצות הפיקסלים אחת ליד השניה תיווצר צורת הבאייר פילטר.

שימו לב שמבנה הבאייר כל הזמן חוזר על עצמו - על כל ארבעה פיקסלים יש תמיד אחד אדום, אחד כחול ושני ירוקים.

דרך שניה

שורות אי זוגיות יהיו מורכבות תמיד מפיקסלים אדומים (וירוקים). ושורות זוגיות מפיקסלים כחולים (וירוקים). התוצאה הסופית תראה בדיוק אותו דבר.

שורות אי זוגיות - אדומות.

שורות זוגיות - כחולות.

המרווחים החסרים מושלימים בירוק.

כפי שבטח שמתם לב על כל פיקסל כחול ואדום יש שני פיקסלים ירוקים, הסיבה לכך היא שהעין האנושית רגישה יותר לירוק מאשר לאדום וכחול.

כיצד עובד מסנן הבאייר?

אור שנושא עליו תמונה, פוגע בכל מרחב הבאייר פילטר, משמע שכל קבוצת פוטונים של אור עוברת דרך פיקסל בעל צבע מסוים על המסנן, לפני שהיא פוגעת בחיישן. הבאייר פילטר הוא מסנן, כפי שכבר אמרנו, וזה בדיוק מה שהוא עושה - מסנן צבעים. אם אור כחול או ירוק יפגעו בפיקסל אדום הם לא יעברו ושום מידע של צבע לא יקלט באותו פיקסל, רק אור שתואם לאותו הפיקסל ייעבור.

הבה נציג מספר דוגמאות על מנת להמחיש את הנושא:

אור כחול שיפגע בפיקסל אדום של באייר לא יעבור לחיישן.

אור ירוק שיפגע בפיקסל אדום של באייר לא יעבור לחיישן.

אור אדום שיםגע בפיקסל אדום של באייר כן יעבור לחיישן.

כפי שניתן לראות הפיקסלים היחידים בחיישן שקיבלו את המידע של הצבע הם הפיקסלים של הבאייר בהם פגע אור עם צבע תואם.

כיצד נוצרים הצבעים האמיתיים של התמונה?

לאחר סינון הצבעים שעושה הבאייר פילטר הפיקסלים של החיישן עדיין שומרים צבעי יסוד ולא את הצבעים המקוריים של התמונה. השכלול של הצבעים המקוריים נעשה על ידי מעבד המצלמה בשלב מאוחר יותר, והוא משתמש לצורך כך באלגוריתם מתמטי, נציג מספר דומאות לתהליך זה במאמר שיעסוק במעבד.

לסיכום

מסנן הבאייר הוא חלק חשוב מאוד במצלמה הדיגיטלית והוא זה שקובע את מבנה צבעי היסוד של כל פריים ופריים בסרט. חשוב לציין שהבאייר פילטר אינו המסנן היחיד שאחראי על קביעת הצבע של הפיקסלים, ישנם עוד כמה סוגים של מסננים שעובדים על עקרון דומה לשלו, כמו גם כמה חיישנים בעלי מסנן צבעים מובנה, כך או כך, מסנן הבאייר הוא הנפוץ ביותר במצלמות הדיגיטליות. במאמר הבא בסדרת הצילום הדיגיטלי נמשיך לדבר על חיישן המצלמה.