Bryce BAYER'in geliştirdiği BAYER renk filtresi

Bu yazıda 13 Kasım 2012’de 83 yaşında aramızdan ayrılan ve renkli dijital fotoğrafçılığın babası diyebileceğimiz, Bryce BAYER’in icat ettiği Bayer renk filtresi, Faveon X3 ve Nikon’un geliştirdiği LB-CAST sensörlerindeki renk yakalama tekniği ve sensörlerin genel çalışma ilkeleri hakkında kısa bilgiler paylaşacağım. Önce dijital fotoğrafçılığın nasıl doğduğuna kısaca bir bakalım.

Dijital fotoğrafçılık da diğer bir çok teknolojik yenilikler gibi; ABD ve Rusya arasındaki uzay yarışının bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır diyebiliriz. Düşünün, gezegene insansız uzay aracı (radyo sonda) gönderiyorsunuz ve beklentiniz gezegenin fotoğraflarını çekip dünyaya göndermesi. Bu araçlar,  teknik olarak geri gelemeyecek. Yani çektiği fotoğrafları dünyaya radyo sinyalleri ile göndermesi gerekli. Bunu yapmak için elbette fotoğrafları dijital formatta çekmeleri veya çektikleri fotoğrafları dijital formata dönüştürmeleri gerekli. 

Sensörler, aslında görüntüyü dijital olarak değil Analog olarak algılarlar. Sensörlerin herbir pixel’ini oluşturan parçalara PHOTOSITE denir. Photosite’lar;  Pozlama sırasında ışıktan gelen enerjiyi (foton) elektron olarak içlerine depolar. İşlem buraya kadar Analog olarak gerçekleştirilir. Bundan sonra bir A/D yani Analog sinyalleri Dijital sinyallere çeviren  bir dönüştürücü sayesinde herbir photosite da bulunan elektronlar dijital sinyaller olarak kodlanır. 0 (sıfır) değeri SİYAH, 1 değeri BEYAZ, 0 ve 1 değeri bir arada olursa % 50 GRİ renk kodlanmış olur. Sensör bu haliyle siyah-beyaz görüntüler kaydedebiliyordu.

1969 Yılına gelindiğinde Charge-Couple Device (CCD) Bell Laboratuvarlarınca icat edildi ama o zamanlar Bayer renk filtresi olmadığı için görüntü siyah-beyazdı.  Aşağıda soldaki şekilde, sensörde bayer renk filtresi olmadığı için sağda gördüğünüz şekilde tüm pixellere KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerinin hepsi ulaşmakta ama bu renkleri kaydedecek bir sistem olmadığı için görüntü siyah-beyaz olmaktaydı. 

İlk geliştirilen renk filtresiz sensör

Işık, tüm pixellere 3 ana renkle giriyor

1976 Yılına gelindiğinde ise Kodak şirketinde çalışan Bryce BAYER, sensör üzerine daha sonra kendi adıyla anılacak ve her pixel’de sadece bir rengin yakalanabileceği KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerden oluşan, BAYER renk filtre dizilimini icat ederek, patentini aldı. Aşağıda solda Bayer renk filtresi, görünmektedir ve bu filtre sensör üzerinde yer almaktadır.

Sensörün üzerindeki Bayer Renk filtresi

Işık, her pixele sadece 1 rengi kaydetmek için geliyor

Sensör, ışığın sadece ŞİDDET ve KONTRAST’ını kaydeder. Renkleri ise üzerine yerleştirilmiş Bayer renk filtresi kaydetmektedir.

Bayer renk filtresinde görüntüyü oluşturan her pixelde sadece 1 renk bilgisi bulunduğundan, görüntüdeki 1 pixel’e denk gelen noktanın gerçek renginin ne olduğunun anlaşılması için o noktanın KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerde olduğu kabulüyle interpolasyon denilen hesaplama tekniğine başvurulur. Çünkü, yukarıdaki Bayer filtresindeki renklerin dizilimine dikkatli bakarsanız;

MAVİ rengi yakalayan renk hücresinin etrafında 4 KIRMIZI ve 4 YEŞİL renk yakalama hücresi
KIRMIZI rengi yakalayan renk hücresinin etrafında 4 MAVİ ve 4 YEŞİL renk yakalama hücresi
YEŞİL rengi yakalayan renk hücresinin etrafında 2 KIRMIZI ve 2 MAVİ renk yakalama hücresi bulunuyor.

Yani 2 tane KIRMIZI ve 2 tane MAVİ renk yakalama hücresi eksik.

Renk yakalama hücrelerinin eksikliği nedeniyle, renklerin interpolasyon denilen karışık algoritma ile hesaplanması gerekir.  

Bryce Bayer'in renk yakalama filtrelerinin dizilimi ve çalışma ilkesi

Yukarıdaki şekilde Bayer renk filtresinde KIRMIZI ve MAVİ renkleri yakalayan filtrelerin YEŞİL rengi yakalayan filtreye göre daha az olduğunu görüyorsunuz. Bu ise herbir pixele denk gelen yerdeki gerçek rengin 1 renk yakalama hücresi ile anlaşılamayacağını ve mutlak surette interpolsayona ihtiyaç duyulacağının göstergesidir.

CCD ve CMOS görüntü işlemcisi kullanan tüm dijital kameralarda Bayer renk filtresi kullanılmaktadır. Renk filtresinin farklı bir tekniği ise Sigma firmasının patentini aldığı ve üretimi pahalı olduğu için geliştirmekten vazgeçtiği CMOS tabanlı FAVEON X3 görüntü sensörüdür. Bu sensörde fark; Her bir pixelde KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerinin her üçüde katmanlar şeklinde ve aynı pixelde bulunmaktadır. Her renk, kendi katmanında yakalanarak tespit edilmektedir. Yani herhangi bir pixeldeki gerçek renk, her 3 renginde burada yakalanması nedeniyle interpolasyon denilen tahmin yöntemine gerek olmaksızın doğru olarak tespit edilebilmektedir.  Aşağıda bir film ve Faveon X3 sensörünün benzerliği görülmektedir. Bu durumda filme en yakın sistem Faveon X3 sensörüdür.

Faveon X3 sensörü ve filmin benzerliği

Şimdi de Bayer renk filtresi ile Faveon X3’ün kıyaslamasını biraz daha yakından inceleyelim.  

Faveon X3 ve geleneksel CCD veya CMOS renk yakalama karşılaştırması

Solda, CMOS tabanlı Faveon X3 sensörü ve sağda ise CCD veya CMOS üzerine yerleştirilmiş Bayer renk filtresi içeren görüntü sensörleri yer almaktadır. Faveon X3 sensöründe yukarıda açıklandığı üzere herbir pixelde KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerinin her üçüde katmanlar halinde aynı yerde bulunduğu için o pixeldeki gerçek rengin, interpolasyon yöntemi ile hesaplanmasına gerek olmaksızın doğru olarak tespit edilebilmektedir. Sağdaki geleneksel Bayer renk filtresinde ise herbir pixelde KIRMIZI, YEŞİL, MAVİ (RGB) renklerden sadece bir tanesini yakalayan renk yakalama filtresi bulunduğu için buradaki gerçek renk, mutlak surette interpolayon denilen hesaplama tekniği ile hesaplanmaya ihtiyaç duymaktadır.

Nikon’un 2003 ve 2005 yıllarında Amiral gemileri olan Nikon D2H ve Nikon D2Hs kameralarında kullandığı LB-CAST adlı yeni sensör de Faveon X3’e benzer bir mantığa sahipti ama renk yakalama hücreleri bakımından farklı bir mimari dizilime sahipti. Gerek Nikon, gerekse Sigma firması bu tip sensörlerin üretiminin pahalı olması gerekçesiyle filme en yakın olan bu sensörleri geliştirmeyi bırakmışlardır. Nikon, kendi mühendisleri tarafından dizayn edilen CMOS sensörleri genel olarak Sony firmasına ürettirerek kameralarında kullanmayı tercih etmiştir. Çünkü geliştirmeye çalıştıkları LB-CAST sensör, onu geliştirenlerin ifadesine göre yaklaşık olarak 1 kamera fiyatına mal oluyordu.

Sensörlere, renk filtresi geliştirerek, siyah-beyaz dünyamızı renklendiren ve renkli dijital fotoğrafçığın babası Bryce BAYER’i insanlığa yaptığı bu değerli katkısı için saygı ile selamlıyorum.