Foveon срещу Bayer – когато технологията разделя фотографите

Началото на 2000-те години е изключително интересен период за дигиталната фотография.

Това е времето, когато цифровите фотокамери вече не са екзотика, но все още няма окончателен отговор на въпроса как точно трябва да изглежда бъдещето им. Производителите експериментират със сензори, формати, карти памет, обработка на изображението, а мегапикселите тепърва започват да се превръщат в една от любимите маркетингови мерни единици.

От едната страна са утвърдени производители като Nikon, които използват вече доказалия се принцип на цветната Bayer мозайка. От другата се появяват компании, готови да опитат нещо съвсем различно.

Сред тях е Sigma.

С появата на Sigma SD9 през 2002 година, а малко по-късно и на SD10, фотографите получават не просто още една DSLR система. Във фотокамерите има сензор, който създава цветното изображение по коренно различен начин – Foveon X3.

Тук обаче е важно едно уточнение. Foveon първоначално не е технология на Sigma. Зад нея стои американската компания Foveon Inc., основана през 1997 година в Калифорния и занимаваща се с разработка на технологии за цифрови сензори. Именно Foveon разработва X3, докато Sigma е производителят, който решава да заложи на необичайната технология и да я превърне в реална фотографска система. Двете компании започват сътрудничеството си около 2000 година, а през 2002 година Sigma SD9 става първата серийна DSLR фотокамера, използваща Foveon X3.

Връзката между двете компании се оказва доста по-дълга от един технологичен експеримент. Sigma продължава да използва и развива концепцията в следващите си фотокамери, а през 2008 година предприема логичната следваща стъпка и придобива Foveon Inc. изцяло. Така технологията, която първоначално идва от независима американска компания, вече действително става част от Sigma.

Резултатът са не просто различни фотокамери.

Това са два различни начина да бъде създадено цифровото изображение.

Преди цвета има само светлина

Когато говорим за цифров сензор, лесно е да си представим милиони малки точки, всяка от които „вижда“ определен цвят.

Само че фотодиодът по същество не работи точно така.

Неговата основна задача е да регистрира попадналата върху него светлина и да я превърне в електрически сигнал. За да получим цветно изображение, трябва по някакъв начин да разберем каква част от тази светлина принадлежи на различните части от видимия спектър.

И тук започва интересното.

Най-разпространеното решение е цветната филтърна мозайка, която свързваме с името на Брайс Байер и познатата схема Bayer.

Върху отделните фотодиоди се поставят червени, зелени или сини филтри. Така всеки от тях получава информация само за определена цветова компонента.

При класическата Bayer подредба в група от четири позиции имаме един червен, един син и два зелени елемента. Зелените са повече, защото човешкото зрение е особено чувствително към яркостния детайл именно в тази част от спектъра.

И тук се появява първият важен момент.

Ако имаме 6-мегапикселов Bayer сензор, това не означава, че разполагаме с шест милиона независимо измерени червени, шест милиона зелени и шест милиона сини стойности.

Всяка позиция е измерила само една от тези компоненти.

Останалото трябва да бъде изчислено.

Демозаика – малко математика между сензора и снимката

Процесът, чрез който липсващата цветова информация се възстановява от съседните позиции, се нарича демозаика.

Най-опростено казано, процесорът разглежда информацията около дадена точка и изчислява какви вероятно трябва да бъдат липсващите цветови стойности.

Разбира се, реалните алгоритми са далеч по-сложни от подобно описание. Те трябва да разпознават ръбове, фини структури, цветови преходи и да избягват появата на нежелани цветни артефакти.

Но принципът остава същият:

част от цветовата информация не е непосредствено измерена на конкретното място, а е възстановена от информацията около него.

Това звучи като сериозен недостатък.

И на теория е такъв.

На практика обаче Bayer работи изключително добре.

Толкова добре, че повече от две десетилетия по-късно различни разновидности на цветната филтърна мозайка продължават да бъдат основата на огромна част от цифровите фотокамери.

Алгоритмите стават все по-добри, процесорите – все по-мощни, а броят на пикселите се увеличава до степен, при която много от ранните ограничения стават практически невидими при нормална фотографска употреба.

В началото на века обаче не всички са убедени, че това непременно е единственият правилен път.

Foveon – ами ако изобщо не ни трябва цветна мозайка?

Тук се появява Foveon X3

Вместо червените, зелените и сините позиции да бъдат разположени една до друга, идеята е информацията за трите цветови компоненти да бъде регистрирана на различна дълбочина в силиция.

Причината това да е възможно се крие в начина, по който светлината взаимодейства със силиция.

Различните дължини на вълната проникват на различна дълбочина. По-късите дължини на вълната се поглъщат по-близо до повърхността, докато по-дългите могат да проникнат по-дълбоко.

Foveon използва именно това свойство, като разполага фотодетектори на различни нива в силиция. Така вместо съседни червени, зелени и сини позиции получаваме три измервания на едно и също пространствено място.

На хартия идеята е почти прекрасна.

Няма традиционна Bayer мозайка.

Няма необходимост от класическата демозаика.

И всяка позиция от изображението съдържа информация, от която могат да бъдат получени и трите цветови компоненти.

Именно тук Foveon започва да изглежда като малка технологична революция.

Само че фотографията има неприятния навик да превръща красивите инженерни идеи в компромиси.

Три слоя не означава три пъти повече резолюция

Sigma SD10 е прекрасен пример защо сравняването на Foveon и Bayer само чрез броя на мегапикселите може бързо да ни отведе в грешна посока.

Сензорът на SD10 има пространствена решетка от:

2268 × 1512

Това прави приблизително 3,43 милиона позиции.

На всяка от тях обаче се получава информация от три слоя.

Затова в спецификациите на Sigma срещаме:

10,29 милиона цветни фотодетектора

или приблизително:

3,43 MP × 3.

Самата Sigma в ръководството на SD10 прави важно разграничение между 10,29 милиона цветни фотодетектора и 3,43 милиона ефективни X3 full-color pixels.

И оттук започва един спор, който години наред преследва Foveon.

Колко мегапиксела всъщност има?

3,4?

10,2?

Отговорът зависи от това какво точно броим.

Ако говорим за пространствената размерност на изображението, тя е 2268 × 1512. Няма как от нея магически да получим фотография с 10 милиона различни пространствени позиции.

Ако обаче броим отделните цветови фотодетектори, те действително са три пъти повече.

Затова простото сравнение:

3,4 MP Foveon срещу 6 MP Bayer

също не разказва цялата история.

При Bayer шестте милиона позиции не съдържат независимо измерена пълна RGB информация. При Foveon 3,4 милиона позиции разполагат с информация от трите слоя.

И точно затова изображенията от ранните Foveon сензори могат да изглеждат значително по-детайлни, отколкото бихме предположили само от числото 3,4 MP.

При тестовете на SD10 още по онова време тя е сравнявана именно с тогавашните 6-мегапикселови DSLR модели, а не просто с други фотокамери около 3 MP.

Това не превръща SD10 в „10-мегапикселова фотокамера“.

Но и определението „само 3,4 мегапиксела“ не обяснява напълно това, което виждаме в изображението.

Детайлът не е само брой пиксели

Това е една от причините снимките от Foveon да имат толкова специфична репутация.

При добри условия фините структури могат да изглеждат много отчетливо. Листа, коса, текстил, архитектурни елементи и малки текстури често показват изненадващо количество информация за сравнително малкия размер на файла.

Има и още един фактор.

Когато различните цветове се измерват на различни позиции, както при Bayer, много фини повтарящи се структури могат да взаимодействат с решетката на сензора и да предизвикат цветни артефакти и moiré.

Особено в ранните години един от начините това да бъде ограничено е използването на оптичен нискочестотен, или anti-aliasing, филтър пред сензора. Той съвсем леко намалява най-финия детайл, за да намали риска от нежелани артефакти.

Foveon атакува проблема от друга страна. Понеже цветовата информация не е разпределена в традиционна Bayer мозайка, част от тези проблеми са различни и необходимостта от класическата демозаика отпада.

Това е една от причините снимката да създава усещане за по-голяма острота, отколкото подсказва размерът ѝ.

Но дотук звучи така, сякаш Foveon е решил проблема с цветните сензори.

Е, не!

Силицият не е идеален цветен филтър

Когато обясняваме Foveon с три слоя, лесно можем да останем с впечатлението, че горният слой записва чисто синьо, средният – чисто зелено, а долният – чисто червено.

Реалността е доста по-неподредена.

Различните дължини на вълната действително проникват на различна дълбочина, но разделянето им не е абсолютно. Част от светлината, която бихме искали да достигне по-дълбоко, се поглъща по-рано. Получените сигнали трябва да бъдат математически обработени, за да се извлече необходимата цветова информация.

Тоест твърдението, че при Foveon изображението просто се „прочита директно“, е удобно за обяснение, но не е напълно точно.

Foveon премахва необходимостта от класическата Bayer демозаика, но не премахва сложната обработка на цветовете.

И тук започва цената на различния подход.

Сигналът от по-дълбоките слоеве е по-труден за използване, а необходимостта от отделяне на припокриващата се цветова информация увеличава проблемите с шума. Именно това е една от причините Foveon сензорите традиционно да се чувстват най-добре при достатъчно светлина.

При ниско ISO и хубава светлина могат да покажат защо технологията има толкова верни почитатели.

Когато светлината започне да намалява, физиката постепенно си иска своето.

Sigma SD10 – фотокамера, която не бърза за никъде

Sigma SD10 се появява като наследник на първата Sigma SD9 и носи редица подобрения, включително микролещи върху сензора, с които се цели по-висока чувствителност.

Но дори за стандартите на началото на века това не е фотокамера, създадена около идеята за скорост.

При максимална резолюция серийното снимане е около 1,9 кадъра в секунда, а буферът побира шест кадъра. Чувствителността стандартно е ISO 100–800, с разширена възможност за ISO 1600.

Има и още нещо, което днес изглежда почти невероятно.

SD10 записва само RAW.

12-битов, lossless compressed RAW. Няма JPEG режим, който да изберете, когато просто искате готова снимка от фотокамерата.

Снимате, прибирате се и продължавате работата пред компютъра.

Sigma Photo Pro е част от цялата философия на системата, а не просто допълнителна програма, която евентуално можете да използвате.

Днес RAW е нещо съвсем нормално и голяма част от фотографите така или иначе го предпочитат. В началото на 2000-те обаче подобно решение ясно показва за кого е направена тази фотокамера.

SD10 не се опитва да бъде универсална.

Иска малко повече участие от фотографа.

От другата страна – Nikon D100

Поставена до Sigma SD10, Nikon D100 изглежда като представител на съвсем друга философия.

Не защото е скучна фотокамера. Напротив – D100 е един от важните модели от периода, в който DSLR фотографията започва да достига до значително по-широк кръг фотографи.

Но в нея няма опит да бъде преоткрита самата идея за цветния сензор.

Имаме около 6 MP CCD с традиционна цветна филтърна мозайка, утвърдена система, огромен избор от Nikon F обективи и фотографска логика, позната на хората, идващи от филмовите SLR модели.

И точно затова сравнението между D100 и SD10 ми харесва.

Не защото трябва да определим победител.

А защото двете фотокамери показват две напълно различни представи за това как трябва да се развива цифровата фотография.

Теорията е едно, снимането – друго

При добра светлина Foveon може да покаже защо около него се създава почти култ.

Финият детайл е плътен, цветовата информация има различно усещане, а изображенията могат да изглеждат много отчетливи, без непременно да разполагат с огромна пространствена резолюция.

Трудно ми е обаче да използвам думата „по-добро“.

По-скоро е различно.

D100 е далеч по-близо до онова, което впоследствие се превърна в стандартния начин на работа с DSLR фотокамера.

Резултатът е предвидим. Системата е развита. Фотокамерата може да бъде използвана в много различни ситуации и фотографът не е принуден непрекъснато да се съобразява с характера на сензора.

При SD10 характерът на сензора е част от снимането.

Дайте ѝ светлина, време и подходящ обект и Foveon може да ви напомни защо повече от две десетилетия след появата му все още говорим за тази технология.

Поискайте от него универсалността на Bayer и слабостите започват да се виждат.

Защо Bayer спечели

Историята вече ни е дала отговора.

Днес огромната част от цифровите фотокамери продължават да използват различни разновидности на цветна филтърна мозайка, докато Foveon остава технологична особеност, свързана основно със Sigma.

Причината не може да бъде сведена просто до „Bayer е по-добър“.

Технологиите рядко печелят по този начин.

Bayer се оказва изключително добър компромис.

Сензорите могат да бъдат произвеждани и развивани в огромни мащаби. Резолюцията расте. Чувствителността се подобрява. Алгоритмите за демозаика стават все по-добри. Процесорите стават достатъчно мощни, за да извършват сложната обработка практически мигновено.

С увеличаването на резолюцията намалява и практическото значение на част от недостатъците, които в началото правят Foveon толкова привлекателен.

В същото време физическите особености на многослойния сензор не могат да бъдат решени само с повече изчислителна мощ.

Това не означава, че Foveon е технологична грешка.

Напротив.

Може би именно фактът, че повече от двадесет години по-късно продължава да предизвиква разговори, показва колко интересна е била идеята.

Две фотокамери, две философии

Днес Nikon D100 и Sigma SD10 са част от историята на цифровата фотография.

Погледнати само като спецификации, и двете изглеждат почти архаично.

Няколко мегапиксела. Малки дисплеи. Бавна серийна снимка. CompactFlash карти. Чувствителност, която днешните фотокамери подминават без особено замисляне.

Но точно затова са интересни.

Те идват от време, когато посоката все още не е била напълно определена.

Nikon показва как една вече работеща технология може постепенно да бъде усъвършенствана, докато се превърне в стандарт.

Sigma и Foveon показват другата страна на инженерството – готовността да зададеш въпроса:

„Ами ако го направим по съвсем различен начин?“

Историята показва кой подход става масов.

Но това не прави другия безинтересен.

Може би точно обратното.

Nikon D100 е фотокамера, с която работиш.

Sigma SD10 е фотокамера, с която мислиш.