Преобразование света в цвет и цифру

Поговорка «по ночам все кошки серы» родилась еще до того, как науке стало понятно устройство человеческого глаза. Глаз содержит два вида светочувствительных рецепторов - «колбочки» и «палочки». «Колбочки» отвечают за цветовое восприятие глаза; при этом часть из них реагирует на красно-оранжевые лучи, другая часть - на зеленые, и третья часть - на синие. «Палочек» гораздо меньше, чем «колбочек», и различать цветов они не умеют. Зато они лучше воспринимают слабый свет и, таким образом, обеспечивают зрение ночью и в сумерках. Следовательно, ночные кошки серы оттого, что ночью «колбочкам» не хватает света и глаз хуже различает цвета.

Светочувствительная матрица цифровой камеры воспринимает мир черно-белым. Каждый ПЗС-элемент матрицы работает наподобие фотоэспонометра, причем электрический сигнал, вырабатываемый элементом, зависит только от интенсивности светового потока. Но как же этот единственный фактор позволяет создавать цветное изображение? А никак не позволяет! Состоящий из ПЗС-элементов сенсор воспринимает изображение только в черно-белом свете, подобно «палочкам» человеческого глаза, с той разницей, что для него «все кошки серы» не только ночью, но и днем. А цвет изображений, сделанных при помощи цифровой камеры, появляется лишь благодаря цифровой обработке, которой процессор камеры подвергает зарегистрированный матрицей свет.

Как же черно-белое изображение преобразуется в цветное? Вот здесь-то и начинаются сложности. Мы уже знаем, что CCD-матрица - это массив светочувствительных ПЗС-элементов. А каждый элемент матрицы - это группа полупроводниковых, точнее, фотодиодных датчиков. Вспомним, что такой датчик создает одну точку получаемого изображения - пиксел, и посмотрим, какая информация формирует пиксел. Датчик покрыт красным, синим или зеленым светофильтрами и преобразует оптический сигнал в электрический. Светофильтры придают датчику настройку на определенный цвет. Все элементы, или датчики, сгруппированы по три или по четыре, причем из этих четырех один датчик с красным светофильтром, один с синим и два с зеленым, так как человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Эта схема расположения датчиков соответствует так называемому шаблону Байера и называется моделью RGB - red, green, blue - красный, зеленый, синий.

Каждый датчик CCD-матрицы пропускает на ПЗС-элемент собственную цветовую составляющую. При этом ячейка получает информацию о яркости и о цветепиксела (точечного элемента изображения). Итак, светочувствительная матрица получила от ячеек информацию в виде электрических сигналов. Следующий этап - преобразование электрического сигнала в «цифру» и его сохранение в памяти. Таким образом, информацию об уровне освещенности элементов матрицы фотокамера хранит как последовательность чисел, каждое из которых отражает состояние одного ПЗС-элемента. Именно потому электронная фотография называется цифровой. Вначале сигнал каждого преобразуется в 24-битное «слово», передающее 2 степени, или около 16 миллионов оттенков. Это так называемое псевдоцветное изображение. Затем программное обеспечение камеры анализирует все три массива цветовой информации, сопоставляет значения смежных элементов и рассчитывает их «настоящий», итоговый цвет. Этот процесс называется цветовой интерполяцией. Качество изображения тем выше, чем выше точность интерполяции.

Так формируется сжатый математический образ всего кадра в формате JPEG - этот формат поддерживают практически все любительские камеры, так как он эффективней всех сжимает снимки в маленькие (до 6 Мбайт) файлы. Алгоритм записи изображения в другом формате принципиально не отличается от описанного.