Panasonic pensa ai sensori con pixel bianchi: ecco il brevetto

Panasonic pensa ai sensori con pixel bianchi: ecco il brevetto

di Roberto Colombo, pubblicata il

“Un nuovo tipo di sensori caratterizzati da pixel bianchi accanto a quelli RGB e un particolare sistema per calcolare le diverse componenti colore dell'immagine: ecco quale potrebbe essere il futuro di Panasonic”

Il filtro a matrice colorata Bayer è stato uno dei capisaldi in questi anni di fotografia digitale: praticamente tutti i sensori di larga diffusione sono basati su questa disposizione che vede un mosaico a base 2x2 con due pixel verdi, uno rosso e uno blu, ripetuto per tutta la superficie del sensore.

La matrice colorata serve a rendere sensibile alle diverse componenti della luce il sensore CCD o CMOS che per costruzione 'vede' in modo monocromatico. Applicazioni particolari come i sensori X3 Foveon sono invece nativamente sensibili alle diverse componenti della luce, basandosi sulla diversa penetrazione nel silicio delle diverse lunghezze d'onda, ma trovano applicazioni più limitate.

In questi ultimi tempi il filtro Bayer è però profondamente in discussione, essendo alla base di alcuni difetti tipici della fotografia digitale. Attraverso l'operazione di demosaicing il processore d'immagine, basandosi sui dati di un pixel e su quelli dei pixel adiacenti con colore diverso, riesce a determinare (qualcuno oserebbe dire 'indovinare') l'entità delle tre diverse lunghezze d'onda fondamentali in ogni pixel.

Questo calcolo è raffinato e preciso, ma porta con sé degli svantaggi. Uno di questi è l'effetto Moiré, che in particolare nel mondo del digitale si evidenzia quando l'obiettivo inquadra un reticolo con periodicità simile a quella del mosaico colorato sul sensore. Inoltre il demosaicing può portare alla comparsa di fastidiosi artefatti. Fujifilm ad esempio ha puntanto su una nuova matrice a pixel verdi, rossi e blu, ma con base 6x6 e minore periodicità per il suo sensore CMOS X-Trans per eliminare il Moiré senza l'utilizzo di un filtro antialiasing.

Un altro difetto della matrice colorata Bayer è lo 'spreco' di fotoni: ogni pixel colorato non sfrutta le preziose informazioni provenienti dalle componenti luminose degli altri colori filtrate dalla matrice: un approccio che sta trovando diversi sostenitori per ovviare a questo problema è l'inclusione di un pixel bianco all'interno della base 2x2. Questo pixel senza filtro è più sensibile alla luce, anche se risulta sensibile solo alla quantità di radiazione luminosa, senza saperne discriminare la composizione in lunghezze d'onda.

Si tratta di un approccio (già utilizzato nel verso opposto, per la creazione di display LCD) che molti produttori stanno studiando: ora anche Panasonic entra nella lista, con un brevetto molto particolare. A giudicare dallo schema che accompagna il brevetto non solo il produttore nipponico ha aggiunto un pixel bianco accanto a quelli verde, blu e rosso, ma pare voler accoppiare anche questi ultimi al pixel bianco, facendo lavorare il sistema in modo diverso.

Il filtro colorato andrebbe a riflettere tre componenti della luce e il processore dovrebbe calcolare le stesse sottraendo la parte riflessa al dato del pixel 'trasparente'. Lo scopo è quello di raggiungere una maggiore gamma dinamica e migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione. Inoltre per ottimizzare il sensore allo scopo, l'altro passo sarebbe quello di eliminare il filtro infrarosso, sempre nell'ottica di massimizzare il numero di fotoni incidenti sul sensore.

In particolare questa è la spiegazione del brevetto: "The imaging device according to claim 1, wherein the three or more types of pixels for specific color are a W-R pixel, a W-G pixel, and a W-B pixel, the filter is configured such that a portion corresponding to the W-R pixel reflects a red wavelength band, a portion corresponding to the W-G pixel reflects a green wavelength band, and a portion corresponding to the W-B pixel reflects a blue wavelength band, and
the reflection amount calculating unit calculates a signal value of a red component by subtracting a value of an image reading signal of the W-R pixel from the value of the image reading signal of the pixel for entire wavelength band, a signal value of a green component by subtracting a value of an image reading signal of the W-G pixel from the value of the image reading signal of the pixel for entire wavelength band, and a signal value of a blue component by subtracting a value of an image reading signal of the W-B pixel from the value of the image reading signal of the pixel for entire wavelength band.
"


Commenti (14)

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Commento # 1 di: demon77 pubblicato il 11 Aprile 2012, 16:25
Beh, se la cosa si rivela efficace e contribuisce attivamente al miglioramento delle prestazioni del sensore ben venga.

Vorrei vedere qualche test anche solo a livello di prototipo!
Commento # 2 di: rigelpd pubblicato il 11 Aprile 2012, 16:31
Sulla carta sembra l'uovo di colombo...
Commento # 3 di: Edgar83 pubblicato il 11 Aprile 2012, 17:05
Del virgolettato non ci ho capito molto (anche se generalmente leggo abbastanza bene in ENG) qualcuno può tradurre?
Commento # 4 di: Tedturb0 pubblicato il 11 Aprile 2012, 17:30
non l'aveva gia brevettato kodak?
Commento # 5 di: Gualmiro pubblicato il 11 Aprile 2012, 17:47
Originariamente inviato da: Edgar83
Del virgolettato non ci ho capito molto (anche se generalmente leggo abbastanza bene in ENG) qualcuno può tradurre?


In buona sostanza, ci sono due modifiche concettuali alla classica matrice Bayer.

Uno dei due "pixel" sensibili al verde vede allargata la gamma della propria sensibilità, così facendo perde la capacità di discriminare l'intensità sulla singola lunghezza d'onda acquisendo tuttavia la capacità di rappresentare una mediana della stessa sull'intera banda appunto... e lo chiamano "pixel bianco", per intendersi.

Per gli altri tre invece fanno un bel giro di parole per dire una cosa piuttosto semplice: quello che "leggono" i pixel colorati adesso non è più bufferizzato come prima e poi interpolato per creare l'immagine, il tutto il maniera molto lineare, ma viene sottratto a quello che hanno letto i siti bianchi circostanti (facendo una media in qualche modo, presumo... non ho letto tutto il brevetto per filo e per segno. sicuro che sempre da interpolazioni si deve passare).
La divergenza da zero del valore letto dai siti bianchi adesso viene usata per generare un coefficiente che andrà a moltiplicare di un certo valore il risultato della normalizzazione delle singole letture dei pixel colorati prima di passare alla fase di demosaicizzazione (e questa c'è, e ci resta, con tutto quel che ne consegue)
Tutto questo rigiro per aumentare, a detta loro, la gamma dinamica e ridurre il rumore di crominanza/migliorare la resa in condizioni di scarsa luce.


in effetti bilanciare il bianco per singola tripletta prima di fare il demosaicing non sarebbe male...
Non so, l'idea potrebbe anche starci... vedrem

brevetto
Commento # 6 di: Edgar83 pubblicato il 11 Aprile 2012, 18:02
Grazie, quindi riassumendo un pò alla carlona partendo dal bayer pattern, dei due pixel verdi, uno viene usato per bilanciare la luminosità dei 4 pixel del pattern. Mentre i restanti 3 pixel funzionano come prima, solo che al momento di ricostruir l'immagine si tiene conto del pixel bianco, giusto?


Ma in questo modo però non si va a sacrificare la caratteristica tipica del bayer pattern di avere il doppio di informazioni sui colori verdi (spiegato con il fatto che anche l'occhio umano è più sensibile a queste frequenze) rispetto a Rossi e Blu ?
Commento # 7 di: aald213 pubblicato il 11 Aprile 2012, 18:02
Originariamente inviato da: demon77
Beh, se la cosa si rivela efficace e contribuisce attivamente al miglioramento delle prestazioni del sensore ben venga.

Vorrei vedere qualche test anche solo a livello di prototipo!


Purotrppo (a mio avviso) il problema generale è che le aziende impiegheranno parecchio tempo a cambiare le tecnologie - vale a dire, abbandonare il filtro bayer), specialmente nelle reflex.

Nikon ha già fatto un primo passo avanti con la D800E, ma in realtà ha solo eliminato il filtro passa-basso.
Mi domando se Nikon/Canon stiano studiando nuovi filtri, o se stiano in realtà preferendo restare sulla strada attuale.
Commento # 8 di: Opteranium pubblicato il 11 Aprile 2012, 20:19
è solo una curiosità..

ma nei sensori per telescopi come fanno? Hanno anche lì il solito problema?
Commento # 9 di: djfix13 pubblicato il 11 Aprile 2012, 20:39
Originariamente inviato da: Edgar83
Grazie, quindi riassumendo un pò alla carlona partendo dal bayer pattern, dei due pixel verdi, uno viene usato per bilanciare la luminosità dei 4 pixel del pattern. Mentre i restanti 3 pixel funzionano come prima, solo che al momento di ricostruir l'immagine si tiene conto del pixel bianco, giusto?


Ma in questo modo però non si va a sacrificare la caratteristica tipica del bayer pattern di avere il doppio di informazioni sui colori verdi (spiegato con il fatto che anche l'occhio umano è più sensibile a queste frequenze) rispetto a Rossi e Blu ?


usare il pixel bianco per conteggiare l'effettiva quantità di luce che colpisce il sensore è forse una lodevole intuizione dato che una parte di luce NON passa attraverso il filtro (si smorza) quindi il conteggio classico ricostruito non è minimamente realistico...così dovrebbe correggere anche la questione verde (basta che si tenga conto del valore doppio sul pixel verde "mancante"
Commento # 10 di: spinbird pubblicato il 11 Aprile 2012, 23:04
Originariamente inviato da: Opteranium
ma nei sensori per telescopi come fanno? Hanno anche lì il solito problema?


solitamente per applicazioni astronomiche si usano camere ccd monocromatiche senza alcun filtro bayer/infrarosso/passa-basso davanti al sensore, questo non solo per eliminare i problemi di demosaicing ma soprattutto per massimizzare la quantità di luce verso il sensore

Per realizzare immagini a colori si fanno tre diverse esposizioni anteponendo al sensore i tre diversi filtri rosso-verde-blu, più solitamente una posa di luminanza con il sensore appunto libero da ogni filtraggio.

ad esempio

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