Dalam artikel ini kami ingin memberikan pandangan mendalam tentang bagaimana sebagian besar kamera memperoleh gambarnya, menggunakan sesuatu yang disebut sensor "Bayer array".

Sensor digital menangkap gambar menggunakan susunan lubang pengumpul cahaya atau  "photosites". Ketika eksposur dimulai, ini terbuka untuk mengumpulkan foton cahaya; kemudian, ketika eksposur berakhir, ini dibaca sebagai sinyal listrik, diukur dan disimpan sebagai nilai dalam file digital. Untuk menilai warna, photosites biasanya juga menggunakan filter untuk memastikan bahwa hanya satu warna yang disimpan pada satu waktu (lihat sensor monokrom vs. warna). Apa yang membuat sensor Bayer unik adalah bagaimana filter warna ini diatur:

Tampilan atas susunan Bayer (di kiri) dan tampilan samping tempat foto berwarna (di kanan)

Sensor Bayer menggunakan strategi sederhana: menangkap warna merah, hijau, dan biru secara bergantian di setiap photosite, dan melakukannya sedemikian rupa sehingga photosites hijau dua kali lebih banyak dicatat sebagai salah satu dari dua warna lainnya. Nilai dari photosites ini kemudian digabungkan secara cerdas untuk menghasilkan piksel penuh warna menggunakan proses yang disebut "demosaicing" (juga disebut "debayer" dalam REDCINE-X PRO®).

Mengapa ini bekerja dengan sangat baik, bagaimanapun, didasarkan pada pemahaman yang jauh lebih dalam tentang sistem visual kita. Dua konsep kuncinya adalah: (1) mata kita merasakan resolusi kecerahan yang jauh lebih tinggi daripada yang kita lakukan dengan warna, dan (2) cahaya hijau berkontribusi kira-kira dua kali lebih banyak terhadap persepsi kecerahan kita daripada efek gabungan merah dan biru. Mengalokasikan lebih banyak photosites ke hijau karena itu menghasilkan gambar yang tampak jauh lebih baik daripada jika setiap warna dialokasikan secara merata.

Catatan: Mereka yang memiliki latar belakang encoding video mungkin ingin mencoba dan menerapkan kategorisasi 4:2:2, 4:1:1, dll. ke sensor Bayer, tetapi terminologi ini ditujukan untuk metodologi kompresi dan gambar akhir, bukan sensor diri. Sensor 4K Bayer mampu menghasilkan file 4K 4:4:4 RGB penuh, misalnya; 4:2:2 adalah apa yang dapat diterapkan ke file ini setelahnya.

TRADE-OFFS

Sebuah gambar berkualitas tinggi membutuhkan sensor yang mengukur semua hal berikut seakurat mungkin: (1) berapa banyak cahaya yang diterima, (2) warna cahaya ini, dan (3) tepatnya di mana cahaya ini mengenai sensor. . Memperbaiki pengukuran ini menghasilkan rentang dinamis (atau noise), akurasi warna, dan resolusi yang lebih baik, masing-masing. Masalahnya adalah, segala sesuatu yang lain dianggap sama, mencoba meningkatkan properti apa pun secara individual sering kali merugikan orang lain:

Equal Color Filter Alokasi

lebih banyak resolusi warna

tetapi lebih sedikit resolusi kecerahan

Tanpa Filter Warna

lebih banyak cahaya tetapi tidak ada warna

Misalnya, menggunakan tambahan merah dan filter biru dengan mengorbankan warna hijau memberikan lebih banyak resolusi warna (yang kurang terlihat), tetapi resolusi kecerahan yang lebih rendah (yang lebih terlihat). Atau, photosites tanpa filter warna tidak membuang cahaya apa pun atau memerlukan demosaicing, tetapi ini hanya menghasilkan gambar monokrom. Oleh karena itu, sensor yang dirancang secara optimal adalah yang memberikan kompromi terbaik untuk tugas tertentu.

Namun, perbandingan photosite di atas juga bisa menyesatkan jika diambil secara terpisah. Pada akhirnya, teknologi dan desain di balik situs foto adalah hal yang paling penting terutama ketika membandingkan kamera dari generasi yang berbeda. Ini terutama benar ketika mempertimbangkan properti lain seperti noise dan jangkauan dinamis.

PERBANDINGAN

Mari kita lihat kompromi yang dibuat oleh pendekatan alternatif berikut:

1. RGB bergaris. Ini mengelompokkan tiga photosites ke dalam setiap piksel, mirip dengan bagaimana fosfor pada televisi CRT yang lebih tua diatur. Motivasi awalnya adalah untuk dapat membaca ini menjadi piksel RGB secara langsung, tanpa memerlukan algoritma demosaicing. Namun, tanpa demosaicing, resolusi sebenarnya sering kali berakhir kurang dari sepertiga dari jumlah photosite saja yang akan membuat orang percaya. Selain itu, karena setiap warna berada pada posisi yang berbeda, sensor ini rentan terhadap artefak pelangi saat dibaca ke nilai RGB secara langsung. Kecepatan prosesor modern juga membuat demosaicing jauh lebih sedikit memakan waktu.

2. RGB & Prisma Tiga Chip. Ini mencapai prestasi yang mengesankan dalam merekam lokasi yang tepat dari setiap warna cahaya tanpa menggunakan filter warna. Namun, ini sangat meningkatkan biaya dengan melipatgandakan area sensor dengan tiga chip. Untuk menjaga harga tetap kompetitif, ukuran setiap sensor sering kali dikurangi, tetapi hal ini pada akhirnya membutuhkan lensa non-standar dan mengurangi area pengumpulan cahaya. Menggunakan prisma untuk mengarahkan cahaya juga berpotensi memperkenalkan artefak gambar baru, karena cahaya mungkin tidak membiaskan sebagaimana dimaksud (tergantung pada sudut, panjang lintasan, dan polarisasi).

3. RGB bertumpuk. Meskipun ini awalnya mungkin tampak sebagai solusi ideal dengan menggunakan sensor tunggal untuk merekam ketiga warna di setiap photosite, semua implementasi saat ini jauh dari manfaat teoritisnya. Alasan utamanya adalah karena sensor ini kesulitan membedakan warna, karena mereka bekerja dengan menilai penetrasi ke photosite daripada menggunakan filter warna yang dirancang khusus. Akibatnya, sensor ini memerlukan peningkatan saturasi internal, yang meningkatkan noise gambar (atau memerlukan pengurangan noise yang mengurangi detail). Selanjutnya, tingkat pembacaan sensor ini belum mencapai kecepatan bingkai video standar pada resolusi siaran normal.

Selain itu, meskipun dua contoh terakhir mungkin pada awalnya tampak menangkap resolusi yang lebih tinggi daripada Bayer, keuntungan potensial ini diimbangi oleh kebutuhan akan filter anti-aliasing untuk mencapai video bebas artefak. Dalam kasus seperti itu, photosites dialokasikan secara tidak efisien untuk meningkatkan resolusi, dan dapat dimanfaatkan dengan lebih baik untuk aspek pengambilan gambar lainnya, seperti sensitivitas atau rentang dinamis.

PEMBAHASAN

Pada akhirnya, strategi optimal adalah strategi yang paling efektif memanfaatkan photosites yang tersedia. Sensor seperti itu perlu mempertimbangkan cara kerja mata kita dengan memprioritaskan resolusi kecerahan daripada resolusi warna, sementara juga menangkap resolusi setinggi mungkin tanpa mengorbankan rentang dinamis, noise, atau akurasi warna yang tidak perlu. Sejauh ini, sensor Bayer telah menjadi cara terbaik untuk mencapai tujuan ini. Mereka mampu jauh melampaui kualitas film, tetap menjadi pendekatan dominan selama lebih dari satu dekade, dan terus ditingkatkan.