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.

 

Nikon'un geliştirdiği LBCAST algılayıcı

Çeşitli kaynaklardan çevirerek derlediğim ve Nikon firmasının 2003 yılında D2H kamerasında kullandığı ve adına LBCAST denen sensör hakkında bilgi

Nikon firması Temmuz 2003’de Nikon’un amiral gemisi konumundaki D2H kamerasını LBCAST isminde CCD ve CMOS dan farklı yeni bir sensör kullanarak pazara sunduğunu açıkladı. Bu sensör hızlı, düşük noise ve  enerjiyi verimli kullanıyordu. Nikonun LBCAST sensörü ne CMOS nede CCD idi. Bu sensör, Nikon’ un CCD ve CMOS teknolojilerinin avantajlarının birleştirilmesiyle geliştirilmiş yepyeni bir kavramdır. Geleneksel sensörlerden farklı olarak enerjiyi az kullanır. Daha az karanlık parazit üretirler. Görüntü işleme, renk, kontrast ve hassasiyette daha iyidirler. Nikon 1980 yılından bu yana CCD’den farklı bir sensör geliştirmeye çalışıyordu ve sonunda başarmıştı.

LBCAST sensörü CCD ve CMOS ile kıyasladığımızda; CMOS’un enerji verimi ve makinenin çekime hazır hale gelme hızına karşı CCD genellikle daha az parazit (noise) üretir. Bu anlamda LBCAST sensörün her iki teknolojiyi de birleştiren bir kavramdır.

Akla hemen LBCAST sensörü CMOS tabanlı mıdır sorusu gelmektedir?.  Nikon çalışmaya başladığı 1980’li yıllarda düşük sinyalleri yüksekten sensörler zaten mevcuttu ve CMOS diye bir isim de yoktu. CMOS, LBCAST için çevresel devre olarak kullanılabilir. 

AYDINLANMA ÖNCELİKLİ NE DEMEK?

Eğer bir filmin katmanlarına bakıyor olsaydık, hangi katmanda hangi rengin oluştuğunu söylememiz zor olacaktı. Çünkü ışık filme çarparak görüntüyü oluşturur. Bu çarpma anında yüzlerce polimerden oluşan şeffaf katmanlar bu ilginç dizaynı oluşturmaktadır. Değişik açılardan yansıyan ışıklar, değişik uzunluklardadır, çünkü değişik açılardan gelmektedirler. Bu ışık teorisinin bir parçasıdır. Şimdi sormamız gereken soru; Işığın,  fotoğrafla arasındaki bağlantısı nedir ve film renkleri nasıl kaydeder. Değişik dalga boyundaki ışıklar, farklı açılarla filmin üzerinde bulunan birbirinden farklı katmanlara çarparak onunla etkileşime girer ve fotoğrafı oluştururlar. Filmde her 3 ana rengin tespit edildiği katmanlar bulunmaktadır. Diğer renkler ise bu katmanların çeşitli etkileşimleriyle oluşmaktadır.

Diğer taraftan; dünyayı nasıl gördüğümüze bir bakalım. Gözlerimiz, detayları ışık içinde görür. Nesneleri kameranın gördüğü şekilde yani kırmızı, yeşil ve mavi katmanları olarak görmeyiz. Film katmanları arasına değişik dalga boyunda ışık geldiğinde uygun katmanda görüntüyü tespit etmek üzere, görüntüyü oluşturan mekanizmayı tetikler. Gözlerimiz nesneleri filmden farklı görürler. Detaylar en üstte yer alan aydınlanma katmanında yakalanırlar. Bu aydınlanma katmanı LB-CAST sensörünün  netliği ve detayı en çok yakaladığı yerdedir.

Aydınlanma öncelikli renkli algılayıcının (LPCS) yapısı

Bir LPCS algılayıcı bir sürü algılayıcı elementin yerleştirildiği yarı iletken tabanlı bir teknolojidir. Bu algılayıcı elementlerin 2 tane görevi vardır.

1-) Yarı iletken alt tabakasının dışında yer alan renkleri algılayan katman; Frekans bandındaki ışığın yoğunluğunu ölçerek, en az bir tane renge karşılık gelen değeri algılar.

2-) En az bir rengin algılandığı katmanın dışındaki katmanda aydınlanmayı ölçer.

Bu icadın yapılmasındaki ana amaç elektronik bir algılayıcının üzerindeki bir katmanda oluşan aydınlanmanın insan gözüyle çok benzer tepkiler vermesidir. Bu nokta normal CCD ve CMOS’ ta farklılık göstermektedir. Bu anlamda LPCS algılayıcı insan gözüne en yakın sistem olarak düşünülebilir.

Hatırlayın aydınlanma=detay’dır. Çok aydınlanma sağlarsanız çok detay elde edersiniz.

Bu Photoshop’taki netleştirme özelliği gibidir. PS’ nin sırrı netleştirilen bir fotoğraftadır. PS’da fotoğrafın uç noktaları etrafındaki özel yerlerden gelen renklerden çoğu zaman yalnızca BEYAZ rengin aydınlığını kullanarak netlik yapmaktadır. PS’nin algoritması konunun uç noktalarındaki temel renklerin aydınlığından yararlanma eğiliminde olup,  netleştirmeyi bu sayede yapmaktadır.

Aydınlanma öncelikli renkli algılayıcı ne demek?

Renk algılama sönsörünün ilk algılama tabakası; Işık kaynağından gelen ışığın ilk spektrumuna tepki verecek şekilde dizayn edilmiştir. Ayrıca en az bir tane ikincil spektruma tepki verecek ve ilk spektruma tepki veren  katmandan farklı bir ikinci katman daha bulunur. İkincil spektruma tepki verecek katman, ilk spektruma tepki verecek katmanı dengelemek için dikey düzlemde yerleştirilmiştir.

Geleneksel CCD ve Aydınlanma öncelikli renkli algılayıcı

Geleneksel CCD sensör yapısı

802: Renkleri algılayan tabaka

804: CCD algılaycı

806: Diod

808: Yeşil renk filtresi

810: Işık demeti

812: Mavi filtre

814: Kırmızı filtre

(802) Renkli matriks tabaka CCD algılayıcısının (804) üstüne ince bir tabaka halinde yerleştirilmiştir. Her bir diodun (806) üstünde renkleri yakalayan bir filtre vardır (808). Bu filtre ışık demetini (810) filtre eder. Bu tipik Bayer dizilimi, birçok dijital makine ve aygıt için kullanılmaktadır. 

LBCAST Sensörün yapısı

1002: Basit CCD katmanı; Görünüşe göre CCD’de değişemeyecek bir katman.

1004: Bilinen CCD algılayıcı dizilimi. Bu da yeni değil

1006: Kırmızı renk yutuluyor. Yeşil renk 1004 nolu katmanın üstünden geçiyor.   Bu filtre SARI filtrenin altınadır.

1008: Diğer bir CCD algılayıcı dizisi katmanı.

1010: 1008 katmanı üzerine yerleştirilmiş diğer bir sarı filtre

1012: En üste bir dizi algılayıcı yerleştirilmiştir.

1014: Bir kırmızı ışık demeti 1006 nolu CYAN filtre onu yutmadan önce 1008 ve 1012 katmanları tarafından teşvik edilerek geçişi..

1016: Bir yeşil ışık demetinin algılayıcıya girişi 1004, 1008 ve 1012 katmanları tarafından teşvik ediliyor. Yeşilin yakalanma seviyesi maksimumda.

1018: Bir mavi ışık demetinin algılayıcıya girişi sadece en üstteki katman 1012 tarafından teşvik ediliyor.

ÖZET

Görüntüyü oluşturan her noktaya olan erişim eşit miktarda ve 3 renginde bulunduğu düzlemde gerçekleşmekte ve bu sayede parlak bir nokta veya dar beyaz bir çizgi bile aynı renk üzerinde diğerlerinden bağımsız olarak algılanarak matriks ile hizalanmaktadır. Bu buluş ile; Mevcut teknolojide renkte insan eliyle yapılmış izlenimini uyandıran harelenmeler ortadan kaldırılmıştır.

Burada CCD ve JEFT LBCAST algılayıcı arasındaki fark anlatılmaktadır. Dijital kameralara algılayıcılar yerleştirilmeye başlandığından bu yana KIRMIZI, YEŞİL ve MAVİ renge aynı anda ve eşit miktarda erişim CCD’de  maalesef mümkün değildir.  Çünkü renkleri yakalayan hücrelerin yerleşim mimarisi gereği bu imkansızdır. Aşağıdaki şekilde bir CCD algılayıcıdaki renk yakalama hücrelerinin dizilimi görülmektedir. Buraya dikkat; KIRMIZI rengi tespit eden hücrenin etrafında 4 YEŞİL ve 4 MAVİ renk tespit hücresi, MAVİ rengi tespit eden hücrenin etrafında 4 KIRMIZI ve 4 YEŞİL renk tespit hücresi ama YEŞİL renk tespit eden hücrenin etrafında sadece 2 KIRMIZI ve 2 MAVİ renk tespit hücresi bulunmaktadır. Bu durumda kameranın mikro bilgisayarı YEŞİL renk tespit hücresinin etrafındaki 2 KIRMIZI ve 2 MAVİ rengi tespit eden hücrelerin yokluğu nedeniyle YEŞİL rengi direkt olarak görememekte ve bunu interpolasyon denilen hesaplama tekniğine göre hesaplamaktadır.

CCD Sensörde renk filtrelerinin dizilimi

LB-CAST sensörde ise renk yakalama birden çok filtre kullanarak yapılabilmektedir. Bu filtreler yansıma yaparak tüm renklere erişimi sağlamaktadır. Bu yöntem ise harelenme etkisini azaltmaktadır, çünkü renk yakalama olayı katmanlarda gerçekleşmektedir ve renk yakalama hücrelerin sıralamasına bağlı değildir. Algılayıcının dizaynından dolayı mavi renk 2 defa yansıdığı ve kırmızı rengin ise yine dizayn nedeniyle doğal olarak algılayıcıyı daha fazla etkilediğinden, algılayıcıda elde edile IŞIK/AYDINLANMA oranı birbirine eşit olmaktadır.

Bu algılayıcı ile ilgili patent kurulunun görüşü; Dijital fotoğrafçılık için dramatik bir iyileşmeyi temsil eden, pazarda tüm elektronik cihazlarda kullanılabilecek yeni bir dünyanın kapılarını açacak pratik bir algılayıcı olduğu yönündedir. Aydınlanma öncelikli bu sensör görüntü netliği ve renklerde oluşan harelenme etkisini minimize ettiği ve yarattığı yenilikler nedeniyle kendisinden önce gelen tüm teknolojileri geride bırakmıştır.

Çok ilginç bir açıklama değil mi? tek katmanlı bir algılayıcı da en az 3 farklı katmandan oluşan bir algılayıcı kadar renk algılama gibi benzer bir fonksiyonu yerine getirebilmektedir. Bu olay sadece dijital fotoğraf makinelerinde değil, diğer video kameralarda da kullanılabilecektir. Bir çoğumuz 3 CCD' li yüksek teknoloji ürünü kameralar alırken, bu algılayıcı sayesinde bu güne kadar görüntü algılayıcıları hakkında öğrendiklerimiz değişeceğe benziyor.

Peki Nikon neden bu algılayıcıyı sadece D2H modelinde kullandı ve sonra kullanıma devam etmedi. Bunun kesin cevabını Nikon yetkilileri verebilir ama izin verirseniz bende bir tahminde bulunmak istiyorum. LBCAST algılayıcının  geliştirme maliyetinin çok yüksek olduğunu Nikon yetkilileri açıklamıştı. Hatta açıklamada;  1 algılayıcının üretim maliyetinin 1 kameranın maliyetinden daha fazla olduğu da belirtilmişti. Bu algılayıcının sadece Nikon marka kameralarda kullanılması durumunda üretim maliyeti yüksekte kalacağı için, araştırmaya daha fazla para ayırmak istemeyerek bence en ölümcül  hatayı yaptılar. DSLR kameraları için teorik olarak CMOS algılayıcıdan daha avantajlı olan CCD algılayıcı kullanmaya karar verdiler. Bu karar, Nikon için çok kötü bir karardı.  Çünkü düşük ışık koşullarında 400 ISO’ da bile inanılmaz GREN (noise, kumlama, parazit, gürültü..) oluşuyordu. O dönemde birçok profesyonel Nikon kullanıcısı; Hem CCD sensör kullanımı sonucu oluşan GREN nedeniyle hemde Nikon’un piyasada tam kare algılayıcılı kamerası olmaması nedeniyle Canon 5D’ ye geçtiler.