CC BY
105
УДК 681.772
ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ЦВЕТА МОДИФИЦИРОВАННЫХ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ
В.Л. Жбанова, Г.В. Мартыненко
Представлены две модификации матричных фотоприемников цифровой фотокамеры многослойной структуры. Модификации являются гибридом двух основных типов матричных фотоприемников: пространственной структуры и многослойной. Доказано, что модификации имеют лучшие функции передачи модуляции интерполяции цвета, описывающие пространственно-частотные свойства алгоритма интерполяции.
Ключевые слова: фотоприемники, функция передачи модуляции, интерполяция, модификации, сенсор, система цветоделения.
В основе технологии, представленной в [1] (рис.1), лежит физическое явление, заключающееся в том, что с увеличением длины волны световых волн растет и глубина их проникновения в полупроводник. Фоточувствительные слои, созданные чередованием зон проводимости первого и второго типа, размещают один под другим на характерных глубинах для улавливания фотонов синего, зеленого и красного цвета. Таким образом, получается универсальный датчик, регистрирующий информацию о всех трех цветовых компонентах изображения в одной точке, точно соответствующей координатам формируемого пикселя. В сенсоре Гоувоп Х3 светочувствительный элемент каждого пикселя состоит из трёх слоев.
в
в
р-ТИП
в
ь
±1
а б
Рис. 1. Светочувствительные элементы сенсора Foveon Х3: а - вид сбоку; б - вид сверху
Слои входят друг в друга, чередуясь по типу основных носителей (п-типа и ^-типа), каждый следующий слой образует новую потенциальную яму - в зависимости от слоя для электронов либо для «дырок». Толщина и материал слоя подбираются таким образом, чтобы разделение проникающих фотонов происходило именно по тем диапазонам спектра, которые содержат основные цвета.
Однако у этой схемы есть ряд недостатков:
- антиблюминг с вертикальным электронным дренажом практически невозможен, поскольку потенциальные ямы основных цветов пикселя расположены одна над другой. Реализация бокового дренажа приводит к значительному уменьшению площади светочувствительной области, которая и так весьма невелика;
- при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матричных фотоприемников уменьшается;
- при съёмке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом, что может привести к проникновению в «чужой» слой фотонов.
Для борьбы с этими недостатками производители разрабатывали разные модификации байеровской системы цветоделения. Но полученные системы требуют ещё более сложных расчётов, поэтому в массовом производстве модифицированные байеровские схемы практически не применяются.
При интерполяции цвета в схеме Байера ЯОБО (рис. 2, а) каждому элементу приемника излучения присваиваются все три значения основных цветов: из них одно действительное, соответствующее цвету светофильтра, а два являются результатом интерполяции, поэтому происходит размытие изображения, то есть ухудшение резкостных свойств.
Рис. 2. Байеровская схема: а - структура ЯОБО; б - график функции передачи модуляции интерполяции цвета
Предложенная модификация многослойных матричных фотоприемников посредством байеровской схемы размещения ячеек может решить проблему разделения цветов [1]: учитывая значительную разницу в глубине проникновения для коротковолнового и длинноволнового излучения, можно пространственно совместить ячейки Б и Я, расположив их друг над другом. Таким образом, половина всех ячеек будет регистрировать излучение,
соответствующее компоненте О, а оставшаяся половина будет содержать пространственно разделенную информацию о компонентах В и Я (рис. 3, а).
Такой подход попутно решает проблему дренажа избыточных носителей в матричных фотоприемниках. Для ячеек компоненты О и Я можно будет использовать вертикальный дренаж, а для ячеек компоненты В - горизонтальный, сохранив площадь светочувствительной области.
Поскольку в стандартной схеме Гоувоп Х3 для площадей компонентов одной светочувствительной ячейки выполняется неравенство 5Я>5о>5В, то можно предположить, что в предлагаемой конструкции площади компонентов БО и БЯ можно сделать одинаковыми, а площадь компоненты БВ увеличить до размера 8О исходной (рис. 3). Увеличение БВ ведет к устранению виньетирующего действия, что уменьшает процент лучей, поглощаемых другим слоем. Для того чтобы расширить видимый диапазон в сине-зеленой области спектра, возможно размещение компоненты В в слое компоненты О (рис. 3, б).
о._<_М. о
а б
Рис. 3. Модификации системы многослойной структуры: а - пространственное совмещение слоев В и Я; б - пространственное совмещение слоев В и Я, а также В и О
Модификации имеют следующие достоинства:
1) устраняют недостатки своего предшественника;
2) предлагают комбинации основных цветов пикселя, что расширяет диапазон применения данных матричных фотоприемников;
3) увеличивают палитру получаемого изображения;
4) облегчают математический аппарат вычисления цветов. Однако снимок, полученный посредством модифицированных
схем, будет представлять собой разноцветную (но не полноцветную) мозаику. В отличие от автохромного метода из этой мозаики создаётся полноцветное изображение, для чего производится интерполяция цвета.
При генерации цветного изображения любое техническое устройство применяет цветовой синтез, то есть процесс, при котором смешиваются несколько монохромных сигналов, описывающих изображение в цифровой либо аналоговой форме. Цвет каждого из монохромных сигналов называется основным, так как совокупность сигналов различной интенсивности позволяет воссоздать любой оттенок из всего множества цветов, воспроизводимых посредством синтеза, - в данном случае аддитивного синтеза ЯGБG. Рассмотрим вариант интерполяции цвета в байеровской системе цветоделения (см. рис. 2, а).
Для байеровской системы цветоделения функции передачи модуляции (ФПМ) [2]
С, (м) = т^ (м) = 0,5 + 0,5 • С08(2жр^;
М) = 0,75 + 0,25 • С08(2пр^, где (м) - ФПМ интерполяции красного цвета; Т^(м) - ФПМ интерполяции синего цвета; Т^ь (м) - ФПМ интерполяции зеленого цвета; N -
пространственная частота, мм-1; р - размер элемента приемника излучения, мм (6,424 мкм).
Интерполяции каждого основного цвета имеют колебательный характер, а наибольшее ухудшение пространственно-частотных характеристик происходит в красном и синем каналах матричного приемника оптического излучения. Для человеческого глаза восприятие красного не столь важно, как восприятие зеленого и синего цветов. В основном человека окружают синие (небо, море) и зеленые (трава, деревья) цвета, поэтому потери в «зеленом» и «синем» каналах могут привести к неадекватности передачи цвета изображения в целом.
Теперь рассмотрим алгоритм интерполяции предложенных модифицированных матричных фотоприемников, представленных на рис. 3.
В предложенной модификации с пространственным совмещением слоев Б и Я алгоритм (рис. 3, а) интерполяции упрощается, так как для элемента ( г,]) выходной сигнал К ( и) и В ( и) будет рассчитываться по одной формуле, т .е. К ( I, 7) = В ( ¡, 7).
В модификации с размещением компоненты В в слоях компонентов G и Я алгоритм упрощается для каждого элемента (рис. 3, б), так как вычисления требует выходной сигнал лишь одного цвета: либо К ( г, 7), либо О ( г +1,7) в зависимости от рассчитываемого элемента, а выходной сигнал компоненты В вообще расчета не требует.
На рис. 4 представлены графики ФПМ интерполяции цвета предложенных модификаций.
Одномерные ФПМ интерполяции цвета для каждого основного цвета, учитывающие влияние алгоритма интерполяции цвета с использованием модифицированных схем, можно описать следующими выражениями:
- для модификации с пространственным совмещением слоев B и R (рис. 4, а) выражение ФПМ
TrRgb (n) = TGsb (n)= Tfgb (n) = 0,75 + 0,25 • cos{2npN), где TRb(N) - ФПМ интерполяции красного цвета; TRgb(N) - ФПМ интерполяции синего цвета; TGgb (N) - ФПМ интерполяции зеленого цвета; N - пространственная частота, мм-1; p - размер элемента приемника излучения, мм (6,424 мкм);
- для модификации с пространственным совмещением слоев B, R и B, G (рис. 4, б) выражение ФПМ
TRb (N) = TrGgb (N) = 0,75 + 0,25 • cos(2npN);
Tgb (N) = 1.
ФПМ предлагаемых модификаций также имеет колебательный характер, как и ФПМ схемы Байера. Однако для модификации, представленной на рис. 4, а, наступает улучшение на 50 % для каналов «красного» и «синего», и даже достигается отличный результат для модификации с пространственным совмещением слоев B, R и B, G, где наступает улучшение показателей на 50 % для «красного» и на 100 % для «синего» каналов (рис. 4, б).
r(.V)
0.5
к
т\т TBrgb(N)
n.v)
0.5
i
rVov)
т« * rgl,('\) - Т
50 loo ,VF мм'1 " 50 100 Л'. ММ*'
а б
Рис. 4. Графики функции передачи модуляции интерполяции цвета: а - для модификации с пространственным совмещением слоев B и R; б - для модификации с пространственным совмещением слоев B и R,
а также B и G
В настоящей работе получены следующие результаты:
1) модификации предлагают комбинации основных цветов пикселя, что расширяет диапазон применения данных матричных фотоприемников, а также увеличивает палитру получаемого изображения;
2) вычисления при интерполяции цвета оказываются гораздо проще и качественнее, а для их выполнения не требуются высокопроизводительные микропроцессоры и большие объёмы памяти; что значительно сокращает время на обработку снимка, а также себестоимость самой цифровой
фотокамеры. Таким образом, стало возможным получить цифровую фотокамеру с высоким отношением «цена - качество»;
3) функции передачи модуляции интерполяции цвета описывают пространственно-частотные свойства только алгоритма интерполяции цвета как одного из оптических передаточных звеньев, влияющих на разрешающую способность цифровой системы. Поэтому качественно судить об интерполяции данных модификаций возможно только после исследований опытного образца.
Список литературы
1. Жбанова В.Л., Мартыненко Г.В. Модернизация системы цветоделения ПЗС-матрицы с многослойной структурой // Молодые светотехники России: сб. тезисов докладов международной научн.-техн. конференции. М.: ВИГМА, 2010. C. 17-19.
2. Тихонычев В.В., Данилин А.А. Влияние интерполяции цвета на пространственно-частотные свойства матричного приемника оптического излучения // Исследовано в России: электронный журн. 2009. URL: http://zhurnal.ape.relam.ru/articles/2009/ 101.pdf (дата обращения: 09.02.2009).
Жбанова Вера Леонидовна, аспирант, ассистент, vera-zhbanova@yandex.ru, Россия, Смоленск, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Смоленский филиал,
Мартыненко Геннадий Владимирович, канд. техн. наук, доц., инженер НИО, gemoes@yandex.ru, Россия, Смоленск, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Смоленский филиал
MODULATION TRANSFER FUNCTION OF COLOR INTERPOLATION OF MODIFIED MATRIXPHOTODETECTORS
V.L. Zhbanova, G.V. Martynenko
Two versions of matrix photodetectors digital camera multilayer structure are presented. Modifications are a hybrid of the two main types of matrices: the spatial structure and multilayered. Proved that the modifications have better modulation transfer function of color interpolation, describing spatial-frequency properties of the interpolation algorithm.
Key words: photo-detectors, modulation transfer function, interpolation, modification, sensors, color separations.
Zhbanovа Vera Leonidovna, postgraduate, assistant, vera-zhbanova@yandex.ru, Russia, Smolensk, National Research University «Moscow Power Engineering Institute», Smolensk branch,
Martynenko Gennady Vladimirovich, a candidate of technical science, a docent, an engineer of Research Department, gemoes@yandex.ru, Russia, Smolensk, National Research University «Moscow Power Engineering Institute», Smolensk branch
