Merhaba dostlar,

Geçen sayımızda günümüz kameralarının görüntüyü nasıl oluşturduklarını incelemiş, görüntü algılayıcıları (sensör) masaya yatırmış ve yazının sonunu “gelecek sayımızda renkli yayına geçeceğiz” diye bağlamıştık. Benim gibi çocukluğunu siyah beyaz televizyonlarda Dallas, Bonanza, Uzay Yolu seyrederek geçirmişler için “renkli yayına geçmek” şu an nostaljik olsa da hayati bir kavramdı. Artık siyah beyaz televizyon izlemekten kurtulacak “Kaptan Cousteau”nun, rengarenk denizaltı dünyasının muhteşem tonlarını görebilecektik. TRT'mizin renkli televizyon yayınına geçiş süreci toplumumuz için gayet renkli, ilgi çekici ve eğlenceli olmuştu.

40 yaşından küçük olanlar haliyle “siyah-beyaz televizyon" diye bir şey bilmedikleri için doğal olarak kameraların da renkli olduklarını düşünürler. Elbette renkli televizyon için, renkli çekim yapan kameralar gerekir. Günümüz kameralarında renklerin nasıl oluştuğunu yine fazla tekniğe kaçmadan inceleyelim.

Aslında kameralardaki görüntü sensörleri renkleri algılayamaz, bir başka deyişle siyah beyaz görürler. Algıladıkları sadece ışığın şiddeti, lüminansıdır. Yani görüntüyü beyazdan siyaha doğru giden gri tonlarla oluştururlar. Buradaki gri tonların zenginliği kameranın dinamik kalitesini gösterdiği gibi görüntünün renklendirilmesi sürecindeki kalitesini de etliler. Beyazdan siyaha kadar giden ve tonlar arasındaki farklılıkları basamaklı görebileceğimiz bir ölçek sistemi olan “gri skala” sayesinde bunu görebiliriz. 

Kamera sensörlerinde renklerin oluşması için kullanılan en yaygın teknik “renk filtre düzeni” (color filter array CFA) başka bir deyişle “renk filtre mozaiği” (color filter mosaic CFM) dir. Eastman Kodak firması için çalışan Bryce Bayer tarafından 1976'da patenti alınan bu sistem daha çok mucidinin adıyla Bayer filtre ya da Bayer pattern olarak biliniyor. 

Bayer filtresi, fotosensörlerin üzerine dağılmış ana renk (RGB) filtrelerinden oluşan, mozaik şeklinde bir “Renk filtre düzenidir” (color filter array, CFA). Bayer, günümüzde hemen hemen tüm alanlardaki kameralarda kullanılan en yaygın renk üretim sistemidir. 

Sistemin %50'sini yeşil, %25'ini mavi, %25 'ini kırmızı filtreler oluşturur. İki kat yeşil olması dolayısyla RGBG renk sistemi olarak da anılır. Fotosensörler yeşil kanal için hem renk hem lüminans hassasiyeti, kırmızı ve mavi kanallar için ise sadece renk hassasiyeti üzerine çalışır. Yeşil için iki kat sensör kullanılmasının sebebi insan gözünün lüminans algısının yeşil renge daha hassas olmasıdır. Bayer sistemi bir anlamda insanın renkli görme yetisini taklit eder. 

Objelerden yansıyarak gelen ışınlar renk filtrelerinden ait oldukları dalga boyu aralığından yani renklerden geçerek hücreleri pozlarlar. Örneğin kırmızı filtreden geçen sadece kırmızı renk aralığındaki ışınlar o hücrenin lümünansını, ışık yoğunluğunu oluşturur. Diğer yeşil ve mavi renk hücreleri de aynı şekilde kendi renklerinin ışık yoğunluklarını kaydeder.

Bayer filtre düzeninde renk filtrelerinin sensör fotohücreleri üzerindeki dizilimi. 

İlk etapta ortaya çıkan görüntü pek de hoş olmayan, gerçeklikten uzak renklerle oluşmuş ham bir görüntüdür. Bayer filtreli kameraların raw (işlenmemiş, ham) görüntüsüne “Bayer pattern görüntü” denir. Her bir pikselin sadece bir renk alması nedeniyle, bir takım kayıplar meydana gelir, dolayısıyla renkler tam olarak oluşamaz. Bunu düzenleyip renkler ve tonlarını tam olarak oluşturabilmek için algoritmalar kullanılır, buna “demosaicing” ya da “debayering” işlemi denir. Bu süreçte piksellerin renk tonları komşu piksellerin yaklaşık renk değerleriyle uygun biçimde oluşturulur (interpolate). 

Demosaicing işlemi de renkler için mükemmel sonuç vermez, renklerle ilgili bir takım problemler oluşabilir. Demosaicing sabit renk veya yumuşak kademeli geçiş olan alanlarda iyi netice verse de, özellikle görüntüdeki keskin kenarlar boyunca fark edilen, renk veya parlaklıkta ani değişikliklerin olduğu alanlarda renk karışması gibi bozulmalara neden olabilir. Bunların dışında, hareket eden objelerdeki tekrarlanan ince desenlerde “moire” denen gerçekçi olmayan kıprışmalar, renk karışmaları, bozuklukları da meydana gelebilir. Bu etkiyi genellikle beyaz, gri fon üzerine ince siyah hatlarla belirgin kareli çizgilerden oluşan kumaşlarla yapılmış gömlek ve ceketlerde sıkça görürüz. Bir başka istenmeyen durumda “zippering artifact” (fermuar bozulması) denilen özellikle kırmızı ve mavi düzlemlerin kenar hatlarında oluşan renkleri karışmış tırtıklı karakteristik bir olgudur. 

Bu bozulmalar için de yine, örüntü tanıma, renk düzlemi, hareket yönü algılama gibi algoritmalar kullanılarak düzeltemeler yapılır. Bu algoritmalar dışında ayrıca doğrudan sensörlerin önüne ince bir tabaka şeklinde uygulanan optik düşük geçiş (Optical Low Pass Filter OLPF) ve anti- alasing (AA) filtreleri, kenarları, geçiş hatlarını yumuşatma için kullanılan diğer yöntemlerdir.

Bayer pattern görüntü ve Demosaicing işlemi sonrası çıkan sonuç.

Birçok firma, kameralarında farklı amaçlarla RGB dışında farklı CFA renk sistemleri kullanılmakta. Bayer filtre sistemi üç ana rengi kımızı, mavi ve yeşili (RGB) kullansa da zaman içinde ışık toplama özelliğinin daha yüksek olması nedeniyle ara renkler olan cyan, magenta ve sarı da (CMY) kullanılmaya başlandı ve ara renklere ek olarak yeşilin de katılmasıyla CYGM filtre sistemi oluştu. 

“Kodak RGBW Filter” Kodak'ın 2007 yılında tanıttığı ve tüm dalgaboylarına daha duyarlı beyaz (W) ya da şeffaf "panchromatic" hücreyi klasik RGB sistemine ekleyerek oluşturduğu alternatif bir Bayer filtre sistemidir. 

Günümüzde klasik kırmızı, mavi ve yeşile ek olarak zümrüt yeşili (emerald) kullanarak RGBE filtre, Bir kırmızı, iki sarı, bir mavi kullanan RYYB filtre, bir cyan iki sarı, ve bir magenta kullanan CYYM filtre, bir cyan, bir sarı, bir yeşil ve bir magenta kullanan CYMG renk filtre sistemleri gibi farklı amaçlarla yönelik tasarlanmış CFA'lar kullanılıyor.

Sadece fotohücrelerin renk filtrelerinin dizilimdeki renklerin farklılığı değil, fiziksel dizilimlerinde de farklı uygulamalar görüyoruz. Renk filtrelerinin hücrelere 45 derece açıyla yerleştirilmiş olan Fujifilm "EXR color filter array" sistemi bunların en bilineni. Bu sistemde mavi ve kırmızı hücreler ikili olarak düzenlenmişken, ışık duyarlılığını artırmak için yeşil hücre hat boyunca devam eder. 

Fujifilm "EXR" Renk fltre düzeni

Fujifilm ayrıca demosaicing işlemi sırasında oluşan “moire” etkisini azaltmak için "X-Trans filter" gibi sistemler geliştirirken bir başka teknoloji de Sony'nin “Quad Bayer color filter array”dır. Quad Bayer özellikle cep telefonu kameralarının dinamik aralığını genişletmek ve HDR uygulamalarına kolaylık sağlamak için birçok cep telefonu üreticisi tarafından kullanılmaktadır. 

Gördüğünüz gibi Bayer biz kameramanlar için baş ağrımızı geçiren aspirinden öte şeyler ifade eder. Saygıyla andığımız Bryce E. Bayer’in filtre sistemi olmasaydı dijital kameralarımızla hala siyah beyaz fotoğraflar çekiyor, sayısız renkleri, muhteşem tonları paylaşamıyor olacaktık.

Gelecek sayımızda renklenmeye devam edeceğiz, hoşça kalın.