L’RGB nei sensori

10 anni fa

9 minuti

Bentornati alla nona puntata di Colorama!
Sommario delle puntate precedenti: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8.

In questa puntata vedremo come il modello RGB viene implementato nei dispositivi di acquisizione d’immagine, come scanner, telecamere, macchine fotografiche digitali, o rilevatori di colore industriali.

A differenza dei monitor, in questi casi si usano alcuni sensori, che invece di proiettare, assorbono la luce dei tre diversi primari, e la convertono in impulsi elettrici successivamente elaborabili.

Sensori CCD e CMOS


I tipi di sensori più utilizzati sono quelli di tipo Bayer (dal nome dell’inventore di questo pattern), nelle due varianti CCD e CMOS.

Al di la delle singole differenze tecnologiche, entrambi funzionano secondo lo stesso principio: alcuni elementi sensibili (fotodiodi) convertono le radiazioni elettromagnetiche della luce che li colpisce in impulsi elettrici, che verranno successivamente elaborati per ricostruire l’immagine.

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I colori vengono ottenuti filtrando la luce in ingresso, in modo da separare i tre primari RGB.
Anche qui gli elementi sensibili ai diversi colori vengono raggruppati a griglia, secondo gli stessi principi gia visti nei monitor.

Nei sensori a matrice Bayer, tuttavia, si preferisce spesso utilizzare una disposizione quadrata in cui vengono disposti 2 elementi verdi, uno rosso e uno blu.

Come nel caso dei vecchi monitor con basse profondità di colore, si tende a privilegiare il verde, in quanto l’occhio come abbiamo già visto, è più sensibile a questo colore.
Si parla perciò, talvolta, di modello GRGB.


Sopra: schema di funzionamento di un sensore a matrice Bayer (CCD o CMOS) .

La disposizione alternata dei subpixel rende necessari dei calcoli molto onerosi per la ricostruzione dell’immagine.
Se abbiamo ad esempio un primo subpixel rosso molto luminoso, e un terzo rosso, altrettanto luminoso, molto probabilmente anche il secondo subpixel intermedio avra’ una forte componente rossa, ma essendo un subpixel verde, questa componente non viene registrata.

Quello che viene fatto è ricostruire successivamente per interpolazione, i valori nei punti mancanti: la cosiddetta demosaicizzazione.

Tuttavia in alcune situazioni, questo sistema non funziona, ed ecco perchè ad esempio, molte macchine fotografiche digitali non riescono a rendere bene le foglie degli alberi in controluce: la luminosità varia continuamente tra la massima e la minima in modo brusco generando il cosiddetto effetto moirè, e l’interpolazione software non è in grado di cogliere appieno questi sbalzi.

Per contenere il problema si usano complessi filtri anti-aliasing che pero’ incidono sia sulla capacita’ di calcolo della macchina in questione, sia sul rumore generato.

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Sensori Foveon


Ultimamente si stanno diffondendo nella fotografia digitale, anche nuovi tipi di sensori derivati da quelli di tipo CMOS, prodotti dalla Foveon.

In questi, gli elementi sensibili ai tre colori non sono affiancati secondo una griglia, ma sovrapposti, in modo da eliminare il problema dei diversi angoli di incidenza della luce, ed aumentare la risoluzione.

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Ogni strato sensibile, quindi, assorbe solo la luce della lunghezza d’onda associata, e lascia passare il resto agli strati sottostanti.


Sopra: schema di funzionamento di un sensore Foveon.

Il vantaggio di questo tipo di sensori è che acquisisce per ogni punto, TUTTE E TRE le componenti di colore RGB, risparmiando gli onerosi calcoli di interpolazione e di l’anti-aliasing necessari sui sensori Bayer classici.
Restano comunque da fare i calcoli per miscelare le tre componenti RGB, ma adesso abbiamo tre valori esatti (e non ricavati dal demosaicing) per ogni subpixel.

Il rovescio della medaglia dei sensori Foveon, è che gli strati piu’ profondi del sensore ricevono poca luce, in quanto filtrata dagli elementi soprastanti, non consentendo quindi di raggiungere le stesse sensibilita’ ISO dei sensori Bayer classici.


Sopra: assorbimento della luce nei tre strati di un sensore Foveon

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Sensori SuperCCD

Un approcio diverso e’ stato invece quello introdotto dalla Fuji, con i sensori SuperCCD.

In questi, pur mantenendo la classica disposizione GRGB dei sensori bayer, i pixel hanno forma ottagonale, e sono disposti per linee diagonali a 45 gradi.

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Nelle nuove versioni del SuperCCD (chiamate SuperCCD SR) inoltre, viene adottata una struttura con DUE fotodiodi di dimensioni diverse, per ciascun pixel: uno grande normale, e uno piccolo a bassa sensibilita’, usato per catturare dettagli in condizioni di luce molto forte.


Sopra, griglia del SuperCCD a pixel ottagonali. Nell’SR2 i fotodiodi a bassa sensibilita’ vengono posti negli interstizi tra quelli normali.

I due tipi di fotodiodi generano immagini separate unite successivamente, e il risultato finale e’ qualcosa di simile a una foto ottenuta per HDR: un’immagine ad alta luminosita’ che mantiene anche i dettagli della scena catturata a una bassa esposizione.


Sopra, da sinistra a destra: immagine catturata dai fotodiodi normali, immagine catturata dai fotodiodi a bassa sensibilita’, immagine finale generata.

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Sensori RGBE e RGBW


Nel tentativo di ottenere risultati sempre migliori, alcune case produttrici hanno provato alcune varianti alla griglia classica RGB (o meglio GRGB) della matrice Bayer.

E’ il caso della Sony ad esempio, col suo sensore RGBE, dove la E finale sta per emerald.

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In questo caso non vengono usati due subpixel verdi, ma uno verde e uno “emerald” appunto, un colore molto simile al ciano.

L’idea alla base di questo modello sarebbe di avvicinarsi ancora di piu’ al modello tristimolo dell’occhio: come abbiamo visto il verde e’ il colore a cui l’occhio e’ piu’ sensibile, ma in realta’ questa sensibilita’ e suddivisa tra due coni retinici diversi, M e L.

Sostituendo uno dei subpixel verdi con un colore prossimo al ciano, si cerca di cogliere un punto ben preciso sensibile a tutti e tre i coni retinici, compresi i coni S.


Sopra: differenza tra griglia classica RGB e griglia RGBE.

Il rovescio della medaglia in questo caso e’ l’ulteriore complessita’ dei calcoli di demosaicizzazione e di anti-aliasing, visto che stavolta abbiamo QUATTRO valori di colore sfalsati alternatamente, invece di tre.

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Anche la Kodak sta sperimentando disposizioni alternative, con i suoi sensori RGBW

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In questo caso la classica struttura 2×2 viene sostituita da una 4×4 in cui sono inseriti alcuni elementi pancromatici, ovvero sensibili a TUTTE le lunghezze d’onda della luce (praticamente dei subpixel senza nessun filtro colorato).

Questi elementi registrano solo la luminosita’ della scena, senza fornire informazioni sul colore. Cio’ aumenta la sensibilita’ alla luce, a discapito pero’ della fedelta’ cromatica e della risoluzione.


Sopra: griglia RGBW con gli elementi pancromatici.

I sensori RGBW quindi, vengono usati generalmente solo sulle fotocamere compatte, dove la fedelta’ del sensore non e’ cosi’ importante.
In questi casi, l’aumento di sensibilita’ rende possibile l’utilizzo di un ISO minore (con riduzione del rumore), e un minor tempo di apertura del diaframma, riducendo l’effetto mosso.

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Sensori industriali


In molti rilevatori di colore industriali, invece, dove è richiesta la discriminazione dei colori nelle condizioni di illuminazione più diverse, è il dispositivo stesso che emette la luce da rilevare successivamente.

Il sensore Omron E3MC, ad esempio, utilizza 3 led dei colori RGB per emettere una luce bianca formata dai tre fasci di luce sovrapposti, ognuno con lunghezza d’onda ben nota (680 nm per il rosso, 525 nm per il verde e 450 nm per il blu).

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Particolari filtri polarizzati a più strati, detti FAO (free angle optics) in grado di riflettere luci di alcune lunghezze d’onda e lasciar passare altre, permettono di sovrapporre i tre fasci luminosi in modo da avere lo stesso angolo di incidenza con l’oggetto da rilevare.

La luce riflessa da tale oggetto, di cui una parte sarà stata assorbita a seconda del suo colore, viene catturata successivamente da un fotodiodo, che la confronta con i valori noti della luce di partenza.


Sopra: schema di funzionamento di un sensore Omron E3MC

Il rilevatore emette quindi 3 segnali analogici in tensione corrispondenti ai diversi valori di R, G, e B rilevati.
In modalità digitale, il rilevatore è anche in grado di distinguere in modo automatico tra 11 colori preimpostati, dal bianco al rosso-viola, corrispondenti a 11 valori del sistema di Munsell, e fornire quindi in uscita un unico valore numerico da 0 a 11.

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Potrebbe dunque sembrare , dopo questa panoramica di tecnologie, che ormai ogni varietà cromatica sia acquisibile e riproducibile, ma il modello RGB, come abbiamo accennato nella puntata precedente, ha i suoi limiti: scegliendo i tre primari tra i colori reali, infatti, non è possibile esprimere come loro combinazione tutti i colori visibili.

Non esistono pertanto, monitor in grado di riprodurre tutto il riproducibile, e neppure scanner magici o sensori in grado di rilevare qualsiasi colore.

Approfondiremo questo concetto nell’ultima puntata, dedicata al Diagramma CIE.

A presto !

Fonti
Appuntidigitali
Hyperreview
Omron E3MC datasheet 1 e 2
Allaboutmotion
Broadstudio
Dpreview

[Colorama] e’ una rubrica a cura di @gigiopix sui colori e sulla percezione visiva.

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