Černobílý digitální soubor lze získat dvěma způsoby: zachycením barvy přes filtrovaný snímač a následným zahozením barevné informace, nebo přímým zachycením luminance na snímači, který nebyl pro barvu filtrován vůbec. Obě cesty vypadají ve výsledném snímku podobně, ale liší se v tom, kolik světla dopadne na křemík a kolik prostorového detailu přežije. Poctivé srovnání je konkrétní a nejčistší příklad nabízí sama Leica, kdy oba fotoaparáty staví na identickém křemíku: M9 (2009) a M Monochrom, představený 10. května 2012. Oba používají stejný CCD Kodak KAF-18500, 35,8 × 23,9 mm, 18 megapixelů na pixelech 6,8 mikronu. Jediný rozdíl je v tom, že Monochrom má barevné filtrové pole seškrábnuté.

Bayer pole a co stojí

Téměř každý barevný snímač zaznamenává barvu prostřednictvím barevného filtrového pole (CFA) patentovaného Brycem E. Bayerem u Eastman Kodak: US Patent 3 971 065, podaný 5. března 1975 a udělený 20. července 1976. Vzor tvoří opakující se dlaždice 2 × 2 s jedním červeným, jedním modrým a dvěma zelenými filtry, takže zelená obsazuje polovinu všech fotosenzorů, červená a modrá čtvrtinu každá. Zelená je záměrně nadsamplována, protože lidský vizuální systém odvozuje většinu luminance — pocitu jasu a jemných vysokofrekvenčních detailů — ze zelených vlnových délek.

Každý fotosenzor měří pouze jednu primární barvu, pásmo, které jeho filtr propouští; zbývající dvě hodnoty jsou odhadovány ze sousedů v kroku zvaném demosaicing. Bayer čip tak přímo měří přibližně třetinu barevné informace a zbytek interpoluje. Tato interpolace dopadá nejhůř na rozlišení chrominance. Luminance trpí méně, protože sleduje hustě vzorkovaný zelený kanál, ale trpí také: jedno hojně citované měření uvádí efektivní rozlišení luminance Bayer snímače přibližně na 0,58násobek jeho nominálního počtu pixelů.

Jak demosaicing rozmaže hranu

Mechanismus je důležitější než heslo. Typický demosaicing nejprve rekonstruuje zelený kanál, protože zelená je vzorkována na dvou ze čtyř míst, a proto má nejhustší mřížku pro interpolaci. Červená a modrá jsou pak odvozeny udržením lokálních poměrů červená–zelená a modrá–zelená jako konstantní, přičemž chybějící tři čtvrtiny jsou doplněny ze zeleně ukotvených odhadů.

Představte si ostrou hranu přechodu černá–bílá přes snímač. Jde o vysokofrekvenční luminanční událost a luminance žije v každém kanálu. Ale na červeném a modrém kanálu jsou tři ze čtyř vzorků na hraně odhadem, rekonstruovaným jádrem, které nevyhnutelně průměruje přes sousední místa přesahující hranu. Průměrování přes přechod je ze své podstaty rozmazání. Interpolace nemůže umístit čistou hranici tam, kde nemá žádný naměřený vzorek, takže jemná luminanční struktura je změkčena. Snímač bez filtru takový problém nemá: každý fotosenzor měří plnou luminanční hodnotu na svém vlastním místě, jeden fotosenzor na jeden pixel, bez ničeho odvozeného.

Filtr, který není vidět: žádná antialiasing vrstva

Druhý, často větší, přispěvatel k ostrost jednotlivých pixelů u Monochromu je snadno přehlédnutelný. Barevné snímače nesou optický dolnopropustný filtr — antialiasing (AA) filtr — záměrné rozmazání umístěné před snímačem. Jeho úkolem je rozetřít detail jemnější než Nyquistova mez demosaicingu, aby jemné opakující se vzory nevytvářely barevný moiré po interpolaci dat CFA. Toto rozmazání stojí ostrost v každém snímku.

Monochromatický snímač nemá chrominanci, která by aliasovala, takže není třeba potlačovat barevný moiré, a AA filtr lze zcela vynechat. Monochrom tak získává ostrost dvakrát: žádná interpolace a žádná optická dolnopropustná vrstva. Kompromisem je, že luminanční aliasing se přesto může objevit, takže jemné látky, vzdálené zábradlí a střešní tašky mohou vykazovat monochromatický moiré, který by kamera s barvou a AA filtrem vyhladila.

Marketingové číslo versus naměřené

Vlastní tvrzení Leica pro Monochrom je, že poskytuje snímky „o 100 % ostřejší” než monochromatika odvozená z barevného snímače srovnatelných megapixelů — jinými slovy přibližně dvojnásobek. Berte to jako výrobcovo číslo, ne nezávislý výsledek.

Naměřená realita je skromnější. Laboratorní testování Popular Photography vyřešilo přibližně 2675 řádků na výšku obrazu pro M9 při ISO 80 oproti asi 2800 lph pro Monochrom při ISO 160. Jde o reálný zisk, ale je to několik procent, nikoli zdvojení. Formulace „o 100 % ostřejší” se nejlépe čte jako marketingová zkratka pro kombinovaný efekt absence demosaicingu a AA filtru — efekt, který je skutečný a viditelný v mikrokontrastu a ostrostí hran, avšak zaostává výrazně za dvojnásobkem rozlišeného detailu.

Proč roste citlivost

Světlo absorbované filtrem nikdy nedopadne na fotodiodu. Každý Bayer fotosenzor vidí pouze své vlastní propustné pásmo, takže zelený senzor zahazuje většinu červené a modré, která na něj dopadá. Odstraňte CFA a každý fotosenzor sbírá přes celé viditelné spektrum, zachycuje více fotonů na senzor při daném expozici.

To se projevuje v hodnocené citlivosti. Základní ISO M9 je 160 (stáhnutelné na 80), s rozsahem vrcholícím na 2 500; základní ISO Monochromu je 320, sahající na 10 000. Na spodku: 320 děleno 160 je přesně jedno clonové číslo (stop) navíc v základní citlivosti. Na vrcholu: od 2 500 do 10 000 jsou dvě clonová čísla (stop) dalšího prostoru. Zlepšení šumu má také svůj mechanismus: více fotonů na fotosenzor znamená větší signál nacházející se nad pevnou úrovní šumu čtení, takže poměr signál-šum roste a stíny zůstávají čistší a tónově oddělené, místo aby se mísily do šumu.

Kontrast teď žije na objektivu

Kompromis je absolutní: snímač bez filtru nezaznamenává žádnou barvu a nelze ji zpět převést. Existuje fyzický důvod, proč to má vliv na tónální kontrolu. Panchromatická stříbrohalogenidová emulze a holý křemík jsou od přírody citlivější na modrou a ultrafialovou složku než oko, takže nefiltrovaná modrá obloha se zobrazí příliš světle a mraky se vytratí. Na filmu to opravíte opticky; na monochromatickém digitálním snímači musíte dělat přesně totéž, protože soubor neobsahuje žádnou barvu, kterou by software mohl dodatečně vážit.

Nástrojem je kontrastní filtr na objektivu, fungující absorpcí. Žlutý filtr propouští žlutou a delší vlnové délky — oranžovou a červenou — a absorbuje modrou a fialovou; oranžová a červená jdou dál, odřezávají více modré a zelené, takže obloha postupně tmavne a atmosferická mlha — rozptýlené krátkovlnné světlo — mizí. Každý filtr vyžaduje faktor v expozici: Yellow 8 (K2) je faktor 2, jedno clonové číslo (stop); Orange 16 je silnější než žlutá; Red 25 je faktor 8, plná tři clonová čísla (stop), a produkuje nejtemnější oblohu a nejtvrdší řez mlhou.

Praktický příklad. Fotografujte Ilford HP5 Plus na jeho jmenovité EI 400, zarámujte polední krajinu a změřte modrou oblohu tak, aby jinak padla kolem zóny VI. Nasaďte na objektiv Red 25, abyste tu oblohu stáhli k zóně III nebo IV pro dramatické vykreslení blížící se černé, pak otevřete plná tři clonová čísla (stop), abyste zaplatili faktor filtru, čímž snížíte pracovní expozici na efektivní EI 50. Monochromatické digitální tělo potřebuje identický filtr na objektivu, aby dosáhlo stejného vzhledu, zatímco barevný fotoaparát by to mohl přibližně napodobit dodatečným snížením váhy modrého kanálu při konverzi. Bez zaznamenané barvy je rozhodnutí učiněno v okamžiku expozice — sklo vpředu, stejná disciplína, jakou modrá obloha nad listem HP5 vždy vyžadovala.