Una de las mayores dificultades con las que se enfrenta un fabricante de sensores de imagen es la interpretación del color a partir de la luz incidente, pues normalmente los fotodiodos que componen su estructura solo son capaces de captar la cantidad de fotones independientemente de su longitud de onda que determina su información cromática, tal como explicamos en Sensores de imagen – Introducción.

Existen soluciones que permiten discernir esta información de color utilizando, por ejemplo, filtros ópticos separadores, o bien haciendo uso de «filtros verticales», como en el caso de los sensores Foveon, que apilan hasta 3 capas de sustratos diferentes cada una de ellas sensibles a un rango de longitudes de onda específico, como ya vimos en Sensores de imagen – Buscando el color.

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Respuesta espectral de un sensor CMOS con filtro de colores RGB © Kodak

Sin embargo, la gran mayoría de sensores opta por emplear los llamados CFAs (Color Filter Arrays) para interpolar la información de color. De estas matrices o mosaicos de filtros de color el de Bayer es sin duda el más conocido. Efectivamente, a principios de 1970, el doctor Bryce Bayer –que trabajaba para Kodakdescubrió que se podía obtener una imagen en color usando estos filtros a base de tres colores primarios (RGB o CMA) –hasta entonces, las imágenes en color se obtenían superponiendo tres imágenes idénticas obtenidas, cada una de ellas, con un filtro de color diferente–.

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Pautas de Bayer para colores primarios RGB o CMY © Kodak

La matriz de Bayer más común está formada por mosaicos 2×2 que siguen un esquema RGBG –el verde, que aporta mayor información de luminancia, se repite dos veces–.  A partir de aquí, para construir la imagen final es necesario aplicar un algoritmo de interpolación específico –del que se encarga el procesador de imagen– que minimice la aparición de artefactos de color; los resultados dependen mucho del método de interpolación utilizado, motivo por el cual la mayoría de fabricantes no dan a conocer los algoritmos que emplean.

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Filtro de color pancromático según pauta RGBW © Kodak

Si bien es la más común, la pauta de Bayer no es el único de los filtros de color que podríamos llamar «horizontales» –en contraposición con los «verticales» como la estructura Foveon–. Por ejemplo, la propia Kodak, introdujo en 2007 un nueva pauta que utilizaba células pancromáticas que seguía un mosaico RGBW –RGB más «blanco»– en una disposición típica de 4×4. La idea era mejorar la respuesta en situaciones de escasa luz –gracias a la aportación de las células pancromáticas–, pero la resolución después de interpolación no se veía mejorada.

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El Filtro RGBE, un intento de Sony © CC

Otro intento similar fue el de Sony con su filtro RGBE –RGB + «esmeralda»–, que busca un reproducción del color más afinada que la que podía conseguirse con el filtro de Bayer clásico. Pese a que se llegó a incorporar en modelos comerciales –Sony F-828–, no tuvo continuación, debido seguramente a los problemas derivados de su procesado particular que no daban los resultados esperados en cuanto a la representación del color.

EXR, combinando píxeles

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Disposición del sensor Fujifilm EXR © CC

Uno de los filtros de color que cosecharon gran éxito en cuanto a sus resultados fueron los basados en el esquema EXR de Fujifilm. Esta tecnología fue introducida en la gama de sensores Super CCD de la firma, durante la Photokina 2008. Su particular disposición –con una rotación de 45º– permitía que hubiera siempre dos fotodiodos adyacentes que captasen el mismo color, pero su gran ventaja era la capacidad de procesar la mitad de sus píxeles por separado.

Gracias a esta nueva arquitectura EXR se podía así mejorar la contribución del «píxel binning» y obtener una mejor sensibilidad mezclando la información de dos células adyacentes, lo que en la nomenclatura de Fujifilm se conoce como «High Sensitivity & Low Noise» o SN mode. Los sensores basados en este esquema permitían también realizar dos exposiciones distintas y mezclarlas con el fin de obtener una imagen final con mayor rango dinámico, mediante el uso del modo DR o «High Dynamic Range». Por supuesto, la contrapartida era la obtención de una imagen final con menor resolución. Lamentablemente, los Super CCD EXR llegaron su fin en 2011.

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Modo SN del Super CCD EXR © Fujifilm

X-Trans, la matriz «aleatoria»

Pero, sin lugar a dudas, uno de los filtros de color que mejor acogida está teniendo en el mercado es el filtro X-Trans, también creación de Fujifilm. Con el objetivo de minimizar el efecto muaré y los colores falsos con los que debía lidiar la pauta clásica de Bayer, el X-Trans introdujo una nueva pauta con un arreglo de 6×6 píxeles, lo que daba lugar a una disposición más aleatoria, inspirada en cierto modo en la naturaleza aleatoria natural de los cristales de haluro de plata de la película.

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El sensor X-Trans intenta simular con su disposición la naturaleza aleatoria de la película

El sensor X-Trans CMOS apareció por primera vez en 2012 en la cámara X-Pro1 de Fujifilm, que inauguraba una nueva gama de cámaras mirrorless de la compañía, la serie X. Una familia que ha ido creciendo hasta la actualidad, y cuyos resultados más que satisfactorios hacen de esta tecnología una alternativa convincente a las cámaras basadas en los clásicos filtros de Bayer, sobre todo en cuanto a resolución se refiere.

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La X-Pro1 introdujo por primera vez el sensor X-Trans CMOS © Fujifilm

El gran inconveniente de las cámaras basadas en esta arquitectura es la complejidad del procesado de datos que se deriva de esta matriz 6×6, mucho más complicada que la convencional de 2×2. Ello depende en gran medida de la capacidad de cálculo del procesador de imagen EXR que se encarga de la interpolación cromática correspondiente.

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Comparación del sensor X-Trans y la pauta de Bayer © Fujifilm

Con el sensor X-Trans se democratizó también la eliminación del filtro paso bajo o de «anti-aliasing» que «nublaba» la capacidad resolutiva de los sensores, y permitió obtener imágenes de una gran calidad de imagen a pesar de utilizar un tamaño relativamente pequeño –APS-C– respecto a los estándares «profesionales», que optan en su mayoría por sensores de formato 24×36 mm.

2 Comentarios

  1. Muy interesante su artículo. Ilustra muy bien acerca de las nuevas tendencias en sensores fotográficos. La pregunta es si pronto llegaremos a tener la cámara ideal, de pequeño tamaño y elevada resolución y sensibilidad. Creo que ya se están dando los primeros pasaos en este sentido.

    • Gracias Carlos por tu comentario. Efectivamente, los fabricantes de cámaras no paran de innovar, en busca de soluciones que les permitan elevar la calidad de imagen sin tener que incrementar el tamaño de la cámara, y en este sentido los filtros de color juegan un papel muy importante. Por ejemplo, el diseño de los sensores X-Trans permite obtener muy buenos resultados, sobre todo si los comparamos a los obtenidos con sensores de mayores dimensiones. Un saludo.

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