Makaleler

Düşük Geçiş Filteresi Nedir ve Nasıl Çalışır?

2000’li ve 2010’lu yılların çoğu dijital kamerası, kenar yumuşatma (AA) veya bulanıklık filtresi olarak da bilinen optik düşük geçiş filtresi (low-pass filter) (OLPF) adı verilen bir optik öğeyle donatılmıştır. “Filtre” adından da anlaşılacağı gibi, bu optik eleman görüntülenen sahneden gelen bazı bilgileri filtreler.

Kızılötesi filtreden farklı olarak, düşük geçişli filtre yüksek frekanslı uzamsal bilgi üzerinde çalışırken, kızılötesi filtre spektral bilgiyi kaldırır. Basitçe söylemek gerekirse, optik düşük geçiş filtresi, silikon sensöre ulaşmadan önce görüntüyü hafifçe bulanıklaştırır. Kamera incelemelerinin tamamen görüntü çözünürlüğü ve megapiksel sayıları ile ilgili olduğu bir çağda, bu paradoksal görünebilir.

Bu makalede, daha yüksek uzamsal frekansları kaldırmanın bir fotoğrafçının ilgisini çekebileceğini, optik düşük geçiş filtresinin bunu nasıl yaptığını ve çoğu modern kameranın neden artık bunları kullanmadığını açıklayacağız.

Dijital Fotoğraf Makinelerinde Düşük Geçiş Filtreleri

Daha önce belirli kumaşlar ve/veya ızgara benzeri bir desenle bir sahneyi veya nesneyi fotoğrafladıysanız, ortaya çıkan fotoğrafın bu alanlarda istenmeyen (muhtemelen gökkuşağı renginde) bir etki içerdiğini fark etmişsinizdir.

Düşük Geçiş Filteresi Nedir ve Nasıl Çalışır?
Erkek gömleğinde görülen hareli desenler. Fotoğraf Dave Dugdale tarafından yapılmıştır ve CC BY-SA 2.0 lisanslıdır.

Renkli efekt genellikle belirli giysi ve/veya kumaş türlerinin fotoğrafları çekilirken ortaya çıkabilir.

moire pattern on jeans
Kot pantolonlarda görülen renkli hareli desenler. Fotoğraf theilr tarafından hazırlanmıştır ve CC BY-SA 2.0 lisanslıdır.

Bu efekt hareli desenler ve yanlış renkten kaynaklanır ve yinelenen çizgiler veya desenler görüntü sensörünün çözünürlüğünü aştığında ortaya çıkar.

moire pattern
Moiré deseni, iki takım eşmerkezli halkada birbirinin üzerinden kayarken görülen ve değişen ofsetlere neden olan hareli desen.

Fotoğraflardaki istenmeyen hareli desenler ve yanlış renklerle mücadele etmek için kamera üreticileri optik düşük geçişli filtreler tasarladı ve bunları görüntü sensörlerinin üzerine yerleştirdi. Bu kamera özelliği, fotoğraflarda görülen hareli parazit miktarını büyük ölçüde azaltabilir veya ortadan kaldırabilir.

nikon optik low pass filter
Nikon D800’de bulunan filtrede görüldüğü gibi düşük geçiş filtresinin işlevleri.

Bir sahnenin ultra ince ayrıntılarını çok az bulanıklaştıran düşük geçişli filtreler, harelenmeye çözüm olarak dijital kameralarda her yerde bulunur hale geldi.

Ancak bu taktiğin bir ödünleşimi vardır: Daha az harenin bedeli biraz daha az keskinliktir. Fotoğrafçıların büyük çoğunluğu için, özellikle günlük anlık fotoğraflar için kameralarını kullanan sıradan kişiler için, keskinlik farkı algılanamaz, bu nedenle düşük geçişli bir filtrenin eklenmesi zahmetsizdir.

Bununla birlikte, fotoğraflarında en üst düzeyde keskinliğe ihtiyaç duyan bazı fotoğrafçılar için – örneğin manzara fotoğrafçıları ve astrofotoğrafçılar – düşük geçişli bir filtrenin getirdiği bulanıklık istenmeyebilir. Moiré desenleri neredeyse her zaman insan yapımı şeylerde bulunur, bu nedenle doğayı yerde veya gökyüzünde çekenler için tipik olarak düşük geçişli bir filtreye gerek yoktur. Bu fotoğrafçılar, düşük geçiş filtresini dışarıda bırakan bir kamera satın almayı seçebilirler veya sensör önünden filtreyi çıkarmak için kameralarını modifiye ettirebilirler.

Sektördeki en yeni dijital fotoğraf makinelerinin çoğu, keskinliği artırmak için düşük geçiş filtresini de dışarıda bırakıyor, ancak buna daha sonra değineceğiz.

Uzamsal Frekanslar 101

Alçak geçiren filtrelerin ve hareli desenlerin üst düzey temellerini artık anladığınıza göre, bunların nasıl çalıştığının ardındaki bilime daha derinlemesine dalalım.

Kamera sensöründe neden herhangi bir uzamsal çözünürlük filtresi kullanmamız gerektiğini anlamadan önce, sinyal işleme ile ilgili bazı temel kavramları açıklayalım. Temel olarak, bir 2D görüntü, farklı genliklere ve frekanslara sahip sinüzoidal dalgaların toplamına ayrıştırılabilir.

Matematiksel bir kanıtı bu makalenin kapsamı dışında olsa da, bu özellik birçok görüntü işleme algoritmasında veya görüntü sıkıştırma biçiminde kullanılmaktadır. Bir görüntünün frekans içeriğini anlamak için, 2D-FFT algoritması kullanılarak bir Fourier dönüşümü hesaplanabilir.

Bu algoritmayı kendi görsellerinizle online olarak denemeniz mümkün . Herhangi bir 2B Fourier dönüşümünün merkezi, görüntünün düşük uzamsal frekanslarını içerirken, kenarlar yüksek uzamsal frekansları, yani görüntünün ince ayrıntılarını içerir.

fft on photos
Görüntüler (üst sıra) ve ilgili Fourier dönüşümü (alt sıra).
Soldan sağa — Resim 1: orijinal resim, Resim 2: Fourier dönüşümü kenarlarının genliğindeki artış, keskinlik ve ince ayrıntı kontrastındaki artışla ilişkilidir, Resim 3: Fourier dönüşümünün kenarları silinerek sonuç olarak daha yumuşak, düşük çözünürlüklü bir görüntü, Görüntü 4: Fourier dönüşümünün merkezi silinerek siyah bir arka plan üzerinde yalnızca kenarları beyaz olarak gösteren bir görüntü elde edilir.

Matematiksel bir bakış açısından, mükemmel bir resim çekmek, nesne sahnesinden tüm uzamsal frekansların doğru bir şekilde tahmin edilmesini gerektirir. Uygulamada, görüntü içeriğinin başına gelebilecek en kötü şey, görüntüleme işlemi sırasında bazı uzamsal frekansların kaybolması veya yanlış bilgilerle kaydedilmesidir.

Görüntü çözünürlüğü sonlu olduğundan, tanım gereği, sensörle ilgili olan, kaydedilebilen maksimum bir uzaysal frekans vardır. Bu sensör “Nyquist frekansı” olarak bilinir. Bu maksimum frekansın üzerindeki herhangi bir uzamsal frekans, tıpkı 10 parmakla 30 sayı sayamayacağımız gibi, basitçe kaydedilemez. Kaydedilen bu en yüksek uzamsal frekansın tahmini, Nyquist-Shannon örnekleme teoremine bağlıdır . Bu teorem, belirli bir f frekansı (döngü/mm cinsinden) için, döngü başına nokta sayısının en az iki katı kadar elde edilmesi gerektiğini belirtir. Doğrudan bir formül şöyle görünmelidir:

formula

Kullanılabilir olduğunda, bu formül, Kell faktörü aracılığıyla piksel şekli ve gösterimi hakkında bilgilerle daha da zenginleştirilir . Çoğu sensörün Nyquist uzamsal frekansı genellikle 100 devir/mm civarındadır.

Muare Eserlerini Filtreleme

Artık bir görüntü sensörünün teorik maksimum uzamsal frekansını belirlediğimize göre, yeni bir soru ortaya çıkıyor: tüm daha yüksek uzamsal frekanslara ne oluyor?

image3 3
Yüksek frekansın yanlış tahmini.

Bu daha yüksek uzamsal frekanslar, görüntüleme işlemi sırasında basitçe kaybolmaz, mevcut numune sayısının az olması nedeniyle yanlış kaydedilir. Doğru yüksek frekansla kaydedilemedikleri için, çok daha düşük uzamsal frekansla yanlış bir şekilde kaydedilirler. Bu efekt, örtüşme veya hareli desenler olarak bilinir.

Hareli desenlerin bu özelliğinin test tablolarında (örneğin, en iyi grafikler) görülebileceğini vurgulamak ilginç olabilir. Bu tür test tablolarında, sistemin tepe çözünürlüğünün üzerindeki herhangi bir uzamsal frekans, ya düz gri bulanıklığa ya da hareli desenlere (genellikle çapraz çizgiler) neden olur.

image4 2
Optik sistemler için bir test tablosu örneği.
Orta-alt ölçekte (1’den 10’a kadar) ve merkezi siyah-beyaz diskin üst yarısında bazı hareli desenler açıkça görülebilir.

Söylemeye gerek yok, hareli desenler öngörülemez ve görsel olarak hoş olmaktan uzaktır. Ayrıca algoritmik olarak düzeltilmesi oldukça zor olma eğilimindedir. Sinir ağlarını kullanan son teknoloji algoritmalar bile , hareli desenler de renk yapaylıkları sergileme eğiliminde olduğundan, gerçek hayattaki görüntülerde genellikle başarısız olur. Moiré deseni kamera tarafından kaydedilen kırmızı, yeşil ve mavi kanallar için farklı olabileceğinden, bu renk bozuklukları görünür.

moire pattern
Moiré deseni Paris’te bir ekranda görülüyor. Jim’in fotoğrafı ve CC BY 2.0 altında lisanslanmıştır.

Optik Düşük Geçiş Filtreleri Nasıl Yapılır?

Yukarıda listelenen muhtelif hareli eserlerden ve modellerden kaçınmak için mühendisler, sistemin optik çözünürlüğünü sensörle eşleşecek şekilde ayarlamaya çalıştılar. Çözünürlüğü sensör yerine optik sistem sınırlarsa, daha yüksek frekanslar bulanıklaşır ve nihai görüntüde yapaylıklar oluşturmaz.

İsteğe bağlı olarak sınırlı çözünürlüğe sahip bir lens fikriyle birlikte çok pratik bir sorun ortaya çıkıyor. Bu, teknik olarak, her merceğin belirli bir sensör çözünürlüğü için uyarlanması gerektiği anlamına gelir. Akıllı telefon kameraları gibi sabit lensli sistemlerde bu kolayca elde edilebilir. Bununla birlikte, DSLR’lerde veya aynasız sistemlerde, lenslerin birkaç nesil sensörle uyumlu olması gerekir. Optik Düşük Geçişli Filtreler soruna şık bir çözüm bulur. Doğrudan sensöre yerleştirilmiş ince bir optik filtre kullanılarak, sensörün çözünürlüğüne uyacak şekilde hemen hemen her lens ayarlanabilir.

Yine de görüntüyü istenen miktarda bulanıklıkla bulanıklaştırmak teknik bir zorluktur. İdeal olarak, filtrenin sensör boyunca tekdüze (alan değişmezi), odak uzunluğundan bağımsız olarak tutarlı (baş ışın açısı değişmez) ve tüm renkler için tek tip (renkte değişmez) olması istenir.

image6 3
Kalsit çift kırılmalı malzemeden geçerken metnin birkaç görüntüye nasıl kopyalandığına dikkat edin.

Düşük geçişli filtreler oluşturmak için kullanılan en yaygın teknoloji, en yaygın olarak çift kırılmalı kuvars kullanımıyla çift kırılmaya dayanır. Wikipedia’dan alıntı yapmak için : “Çift kırılma, ışığın polarizasyonuna ve yayılma yönüne bağlı olan bir kırılma indeksine sahip bir malzemenin optik özelliğidir”. Daha da basitleştirmek için, bu tür malzemelerde ışık yolu, ışık polarizasyonuna bağlı olarak değişir.

Görünür ışık, en azından dikey ve yatay polarize ışıktan oluştuğu için, çift kırılmalı bir malzemeye girdikten sonra, hafifçe kaydırılmış iki görüntü üretilir. Daha sonra işlem, ek kaydırılmış görüntüler üretmek için çift kırılmalı malzemeden katman katman tekrarlanır. Tipik bir DSLR filtresi iki kat çift kırılmalı malzeme içerir.

Düşük Geçiş Filtreleri Neden Kameralardan Kayboluyor?

2010’lardan bu yana, DSLR’lerden optik düşük geçişli filtreler kaldırıldı. Çıkarma trendi, 2012’de piyasaya sürülen Nikon D800 ile başladı. Bu amiral gemisi Nikon fotoğraf makinesi, fotoğrafçıların ihtiyaçlarına en uygun fotoğraf makinesini seçecekleri varsayılarak hem optik düşük geçiş filtresiyle hem de bu filtre olmadan satıldı (Nikon D800 ve Nikon D800E çeşitleri gibi). Gerçek hayatta, eleştirmenler çoğu durumda farkı ince buldular.

Üreticilere göre alçak geçiren filtrenin çıkarılmasının üç ana nedeni var. Birincisi, sensör çözünürlüğü, daha yüksek frekanslı bilgilerin kaydedilmesini sağlayan ilk dijital kameralardan bu yana önemli ölçüde arttı.

İkincisi, daha önce de belirtildiği gibi, çok yüksek frekanslı bilgiler doğası gereği oldukça nadirdir, bu da görüntü çözünürlüğü arttıkça bir resimde harelenme riskinin azalma eğiliminde olduğu anlamına gelir.

Üçüncüsü, dijital görüntü işleme gelişmiştir ve gerekirse görüntüleri düzeltebilir.

Belki daha da büyük bir değişim, alçak geçiren filtrelerin eksikliğini açıklıyor. 2000’li yılların aksine, çözünürlük söz konusu olduğunda sensörlerin aksine lensler giderek daha fazla sınırlayıcı faktör haline geliyor. 50MPx sensörden daha iyi performans gösteren bir lens bulmak, sınırsız bir bütçeyle bile oldukça zordur. Pratikte bu, çoğu merceğin kendi başına optik alçak geçiren filtreler gibi davrandığı anlamına gelir.

Hala düşük geçişli filtreler gerektiren büyük bir topluluk var: video topluluğu. Son on yılda video çözünürlüğü 720p’den 4K’ya yükselmiş olsa da, hareli eserler hala oldukça yaygındır ve düşük geçiş filtreleri rol oynamaktadır. Ne de olsa 4K hala 8 megapiksel civarında ve bu da 2000’lerin sonundaki durağan görüntü çözünürlüğüne yakın. Örneğin, RED kameralar bir miktar fiziksel OLPF veya dijital bir düzeltme sunar . 8K video norm haline gelene kadar, optik düşük geçişli filtreler veya en azından ” çiçeklenme filtreleri ” kameramanlar için faydalı olmaya devam etmelidir.

Bir cevap yazın

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Başa dön tuşu