„Pixele 2.0”, czyli koniec problemów z przepalonym niebem. Tak może wyglądać następca matryc CMOS

Choć matryce dzisiejszych aparatów są niesamowicie zaawansowane technicznie, to cały czas borykają się z tym samym problemem. Jest nim zakres tonalny, jaki może wygenerować sensor.

W dużym skrócie jest to liczba poziomów jasności, jakie jest w stanie zarejestrować matryca pomiędzy zupełną czernią a pełną bielą. Mały zakres dynamiczny oznacza, że na zdjęciach często będziemy oglądać przepalone niebo, które będzie po prostu białe. A jeśli piksele na zdjęciu są przepalone, nie da się odzyskać z nich informacji podczas obróbki. Możemy przyciemnić biel, ale z przepalonego nieba nie wydobędziemy chmur, które widzieliśmy w rzeczywistości.

Pierwszym jest metoda fizyczna, czyli nowe technologie zapewniające dużą rozpiętość tonalną. Najlepsze bezlusterkowce radzą sobie z tym problemem naprawdę świetnie. Niestety nie każdy aparat może pochwalić się dużą matrycą, która ułatwia lepsze łapanie światła. W dzisiejszym świecie dominują smartfony, a ich małe matryce muszą obejść problem poprzez oprogramowanie.

Tutaj dochodzimy do drugiego pomysłu, który znalazł zastosowanie w małych matrycach, w tym w smartfonach. Jest to HDR, czyli programowe zwiększanie rozpiętości tonalnej. W czasie robienia zdjęcia HDR aparat wykonuje kilka klatek z różną ekspozycją, po czym łączy je w jedno zdjęcie. Jedna klatka ma poprawnie naświetlony dół zdjęcia, druga niebo, a po połączeniu uzyskujemy zdjęcie, które nie ma przepaleń.

Niestety w praktyce mechanizm HDR nie zawsze się sprawdza. Bazowanie na kilku klatkach sprawia, że HDR daje najlepsze warunki w statycznych kadrach, a im większy ruch, tym gorszy efekt uzyskamy.

Niemieccy naukowcy opracowali nowy rodzaj matrycy, która działa w zupełnie odmienny sposób niż sensory CMOS znajdujące się praktycznie we wszystkich aparatach konsumenckich. Piksele na nowej matrycy nadal mają maksymalny poziom jasności, który mogą zarejestrować, ale szkopuł polega na tym, że po dobiciu do sufitu piksel może naświetlać obraz dalej.

Każdy piksel ma własny obwód pozwalający „przekręcać licznik”. Kiedy jasność dobije do maksimum, piksel rozpoczyna kolejną pętlę pomiaru jasności. Jeśli znów dobije do maksimum, powtarza proces, a jeśli zakres tonalny piksela wystarczy do zarejestrowania światła, piksel zapisuje obraz. Wraz z obrazem jest też zapisywana informacja o tym, ile pętli pomiaru wykonał każdy piksel. To przekłada się na możliwość nieskończonego powiększania zakresu tonalnego jakim dysponuje matryca.

W dzisiejszych realiach fotograf mający przed sobą kontrastową sceną musi się mocno nagłowić, by zrobić dobrze naświetlone zdjęcie. Załóżmy, że robimy portret osoby w cieniu, a za nią znajduje się oświetlony obszar, np. okno. W takiej sytuacji najlepiej byłoby ustawić poprawną ekspozycję na twarz, ale to spowoduje przepalenie nieba. Cała zabawa polega na takim balansie ekspozycji, by przepalić jak najmniej obszaru na oknie, przy jednoczesnym jak najlepszym naświetleniu twarzy. Tutaj liczy się praktycznie doświadczenie fotografa, znajomość sprzętu, jak i sama jakość aparatu.

Na nowej matrycy można zapomnieć o takim podejściu do ekspozycji. Fotograf musi zadbać tylko o to, by dobrać ekspozycję odpowiednią do twarzy. Okno za plecami nie stanowi problemu, bo matryca zadba o to, by żaden element nie był przepalony.

Niemieccy naukowcy opracowali działającą matrycę o ogromnych pikselach wielkości 53 mikrometrów. Fotodioda odpowiedzialna za nieskończoną rejestrację świateł zajmuje póki co tylko 13 proc. powierzchni wielkich pikseli. To jednak dopiero pierwszy krok.

Naukowcy już mają plan, jak zmniejszyć rozmiar pikseli do 20 mikrometrów przy jednoczesnym powiększeniu powierzchni fotodiody. Dla porównania, piksele na dwunastomegapikselowej matrycy Sony A7S II są jednymi z największych na rynku, a mają 8,5 mikrometra.

Kiedy uda się stworzyć matrycę, w której powierzchnia fotodiody pokryje całą powierzchnią piksela, otrzymamy rozwiązanie, które otworzy zupełnie nowy rozdział w historii fotografii. Taki sensor byłby jeszcze większym krokiem naprzód niż przejście z matryc CCD na standard CMOS, który obowiązuje już od kilkunastu lat.