Jos lähetyykin asiaa täydellisen kameran kennon suunnasta
Millainen olisi sitten täydellisen kameran kenno. Ideaalikenno. Voiko sellaista olla edes kuvitteellisesti (teoriassa) olemassa?
Tein kuvan, jossa kennon osat ovat enemmänkin symbolisia, kuin oikeasti mahdollisia toteuttaa ... ainakaan edulliseen hintaan kennotehtaan tuotantolinjalla. Kuva kuitenkin selventää täydellisen värikennon ajatuskoetta ja mitä sellaiselta voi käytännössä enintään vaatia:
Mikrolinssit
Keräävät tulopupiliinsa osuvat fotonit. kokoavat ne pistemäiseksi kimpuksi, jossa fotonit jatkaa matkaansa yhdensuuntaisena kohti prismaa.
Linssit myös jakavat sensorin alueen spatiaalisesti osiin ja on perusta saatavan kuvan resoluutiolle.
Mikroprismat
Hajottaa valon taajuusalueisiin, joka mahdollistaa värillisen kuva-anturin. Tällä rakenteella on mahdollista tehdä myös ideaalikuva-anturi, jossa on enemmän värikanavia kuin tavallisessa trikromaattisessa värikamerassa.
Fotoni-ilmaisijat
Kykenevät erottamaan jokaisen ilmaisijaan osuneen fotonin (tämän hetken tekniikasta kts. esim Aptina White Paper, joka kutsuu tällaista ilmaisijaa nimellä JOT). Ilmaisijoita sijoitetaan prisman jakamaan spektrikeilaan haluttu määrä. Normaaliin trikromaattiseeen kennoon riittää kolme ilmaisijaa pikseliä kohti.
Kuvan ilmasijat kykenevät varastoimaan ilmaistuja fotoneita enintään 2*5 (32) kappaletta ja ne onkin siirrettävä ketjussa eteenpäin ennen kuin ilmaisija ylivuotaa.
Ilmaisjoiden geometrinen muoto määrää niiden vastaanottokaistan profiilin; täysin suorakaiteiset jot:t vastaanottaa kukin omassa ulottuvuudessaan, eikä värikanavat ole yhteydessä toisiinsa. Ihmisen silmässä värikanavat ottavat vastaan hieman toistensa taajuuksisia fotoneja, eikä taajuuskaista ole tasainen (vihreä on ihmissilmälle herkin väri).
Fotonilaskijat
Summaavat yhteen ilmaisijoilta tulevia fotoneja. Laskurit nollataan kun valotus alkaa ja ne luetaan valotuksen päätyttyä.
Kuvaan on merkitty laskurin suurimmaksi summaksi 4294967296 (2^32), jolla saavutetaan 32 stopin dynamiikka, koska ideaalikennossa ei ole häviöitä, eikä kohinaa. Siis himmein havaittava on yksi fotoni ja suurin havaittava kirkkaus on 4294967296 fotonia, jolloin dynamiikka on 4294967296 : 1 = 32 stoppia per värikanava.
Ideaalikennon rajoituksia
- Maksimiresoluutio ja fotonien keräyskyky on äärellinen, mutta joista kennon fyysinen koko sekä paino määräytyy. Kenno voi siis olla täydellinen vain sovellusalueella, jota eo. rajoittaa (mitä enemmän mikrolinssejä sen parempi erotuskyky ja mitä suurempia mikrolinssejä, sen parempi valonkeräyskyky).
- Fotonilaskijat rajoittaa dynamiikkaa. Kuvaan merkitsin laskijoiden kapasiteetiksi 32 bittiä, kun se on normaalien nykytietokoneiden helposti luettava/kirjoitettava leveys ja koska ihmisen silmän dynamiikka on luokkaa 20 stoppia. Ei tuo kuitenakaan, eikä lopulta mikään riitä täydelliselle kennolle. Aina löytyy esimerkki, jonka taltiointiin kennon dynamiikka ei riitä.
Ääriesimerkkinä vaikka kuva vierekkäisistä kohteista: aurinkoisen kesäpäivän aurinko (jolloin ihmisen silmään osuu luokkaa 10^16 fotonia/sekunti) vieressään maailmankaikkeuden alkuaikojen galaksi, josta vastaanotetaan fotoneja noin 1 per tunti.
Jos auringon vihreitä fotoneita osuu pikselin mikrolinssiin 10^10 fotonia/s, niin pikselin värikanavan laskuri täyttyy ajassa 4294967296/10^10 s = 0,4 s. Siis joko aurinko ylivalottuu tai galaksi alivalottuu (tai ei saada ensimmäistäkään fotonia).
Ainahan voi tietysti ottaa HDR-kuvan:)
- Värikanavien eristys saattaa aiheuttaa kuvaan luonnottomuutta. Kanavia on kuitenkin mahdollista jossain määrin kytkeä vuotamaan toisiinsa jälkikäsittelyssä, mutta se ei täysin vastaa tilannetta, jossa vain kanavan taajuudeltaan laitimmaiset fotonit vuotavat.
- Värikanavien taajuusprofiili saattaa vaatia myös suodatusta, jota ei kuitenkaan voi tehdä jälkikäsittelyssä kunnolla.
- Datan siirto ilmaisijoilta (jot) laskureille voi olla aika ravakkaa, jos kuvausta tehdään kirkkaassa valossa.
Edellisen esimerkin 4294967296 fotonia 0,4 sekunnissa voidaan siirtää maksimissaan 32 (2^5) fotonin ryppäissä, jolloin pitää tehdä 134217728 siirtoa 0,4 sekunnissa (jotta niitä ei häviäisi). Siis 1/0,4 * 134217728 siirtoa sekunnissa, jolloin väylän pitää toimia 335544320 Hz (n. 336Mhz) taajuudella. Edellyttäen fotonivirran olevan tasainen.
- Sekä temporaaliset että spatiaaliset fotonivirran satunnaisvaihtelut näkyvät kuvassa kohinana aivan kuten nykykameroissakin.
PS. Ideaalikennon rajoitusten päivittelyä/lisäystä useampaan kertaan.