Брайс Байер и его цветовая матрица: основа современной цифровой фотографии

Введение

Брайс Эдвард Байер (/ˈbaɪər/; произносится BYE er, 15 августа 1929 года) был назван "маэстро, без которого фотография, какой мы её знаем, не была бы такой, какая она есть". Получив степень бакалавра инженерной физики в Университете штата Мэн в 1951 году, Байер переехал в Рочестер, штат Нью-Йорк, чтобы работать научным сотрудником в Eastman Kodak, где он оставался до выхода на пенсию в 1986 году. В Kodak он познакомился с Джоан Фицджеральд, коллегой-исследователем; они поженились в 1954 году. Байер продолжил обучение в Университете Рочестера, где в 1960 году получил степень магистра промышленной статистики. 24 мая 1974 года Байер задокументировал свои идеи в лабораторном журнале KRL, как показано на рисунке. Его запись включает цветной эскиз его теперь знаменитого "паттерна Байера". В марте 1975 года Kodak подала заявку на патент под названием "Color imaging array", с Баером в качестве единственного изобретателя. Патент, выданный как патент США 3,971,065 в июле 1976 года, описывает цветовые узоры с элементами яркости (например, зеленый), расположенными в шахматном порядке, что обеспечивает равномерную выборку яркости как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Цветовой фильтр Bayer впервые был использован в камере Kodak DCS 200, представленной в 1992 году. Сегодня он используется почти во всех цветных камерах с одним чипом. В паттерне Байера половина пикселей собирает зеленый свет, а остальные равномерно распределены между красным и синим светом. Полученные частотные области Найквиста для зеленой выборки сохраняют ту же частоту Найквиста для горизонтальных и вертикальных пространственных частот, что и датчик, имеющий все элементы, чувствительные к зеленому цвету. "Паттерн очень прост", - сказал Кен Парульски, бывший главный ученый отдела цифровых камер Kodak, газете The New York Times после смерти Байера. "Зеленых элементов в два раза больше, чем красных или синих, потому что это имитирует то, как человеческий глаз обеспечивает наиболее четкое общее цветовое изображение". Парульски добавил, что хотя с тех пор было разработано десятки других паттернов, в том числе и некоторые им самим, "паттерн Байера выдержал испытание временем". Ларри Скарф, бывший председатель группы по стандартам качества изображений для камерных телефонов, сообщил газете Times, что "99,99% всех цифровых камер — мобильных телефонов, карманных камер, веб-камер и потребительских цифровых видеокамер — используют паттерн Байера для получения цветных изображений". Будучи ведущим ученым в Лаборатории информационных технологий в рамках Отделения физики Исследовательских лабораторий Kodak (KRL), Брайс в начале 1980-х годов продемонстрировал, что компьютеры могут значительно улучшить качество изображения. Например, он показал большой отпечаток сцены с пристанью, сделанный из очень маленького негатива камеры Disc. Изображение выглядело так, будто оно было сделано из гораздо большего 35-миллиметрового негатива. Можно было увидеть плетение веревок на причале. Примерно за пятнадцать лет до этого, в середине 1960-х годов, он разработал способ шифрования информации таким образом, чтобы код не мог быть взломан другими. Опять же, он разработал это, будучи руководителем в Лаборатории информационных технологий KRL. В то время он также изучал работы Шеннона по теории информации и энтропии, кодирование Шеннона-Фано для использования более коротких кодов для более частых слов или сигналов и т.д. Брайс возглавлял группу в области компьютерного программирования, прикладной статистики, информатики и прикладной математики. Группа разработала автоматизированный способ выборочного распространения информации среди пользователей на основе их профилей интересов и обратной связи по уровню интереса. Этот процесс похож на процессы, используемые сегодня Google и Amazon. В середине 1960-х годов группа, сопоставимая по размеру с группой Брайса, работала в коридоре, рядом с группой Брайса. Они занимались психофизикой, связанной с оценкой пользователями качества цифрового изображения, восприятием цвета и т.д. Фильтр Байера позволяет цифровой системе визуализации делать то же, что и глаз. Дополнительные зеленые датчики обеспечивают больше информации о яркости, как и палочки в глазу, когда темно. Когда цифровая система визуализации и глаз сталкиваются с ситуациями с низким уровнем освещенности, обе системы могут предоставлять и использовать больше информации о яркости и меньше информации о цветности.

Bryce Edward Bayer (/ˈbaɪər/; pronounced BYE er, August 15, 1929 He has been called "the maestro without whom photography as we know wouldn't have been the same." After receiving a bachelor's degree in engineering physics from the University of Maine in 1951, Bayer moved to Rochester, New York, to work as a research scientist at Eastman Kodak, where he would remain until his retirement in 1986. At Kodak he met Joan Fitzgerald, a fellow researcher; they were married in 1954. Bayer pursued further studies at the University of Rochester, from which he earned a master's degree in industrial statistics in 1960. Bayer documented his ideas in his KRL lab notebook on May 24, 1974, as shown in the figure. His entry includes a color sketch of his now famous "Bayer pattern". In March 1975, Kodak filed a patent application, titled "Color imaging array", with Bayer as the sole inventor. The patent, which issued as U. S. patent 3,971,065 in July 1976, describes color patterns having luminance (e. g. green) elements arranged in a checkerboard pattern, which provides uniform luminance sampling in both the horizontal and vertical directions. The Bayer color filter array pattern was first used in the Kodak DCS 200 camera, which was introduced in 1992. It is used today in almost all single chip color cameras. In the Bayer pattern, half of the pixels collect green light, and the others are evenly divided between red and blue light. The resulting Nyquist domains for the green sampling maintains the same Nyquist frequency for horizontal and vertical spatial frequencies as a sensor having all green sensitive elements. "The pattern is very simple," Ken Parulski, former chief scientist for Kodak's digital camera division, told The New York Times after Bayer's death. "There are twice as many green elements as red or blue because this mimics the way the human eye provides the sharpest overall color image." Parulski added that although dozens of other patterns have since been devised, including some by Parulski himself, "the Bayer pattern has stood the test of time." Larry Scarff, a former chairman of the Camera Phone Image Quality Standards Group, told the Times that "Ninety nine point nine nine percent of all digital cameras — cellphones, pocket cameras, webcams and consumer digital video cameras — use the Bayer pattern to produce color pictures." As a leading scientist in the Information Technology Laboratory within the Physics Division of the Kodak Research Laboratories (KRL), Bryce demonstrated, in the early eighties, that computers could greatly enhance image quality. For example, he showed a large print of a dock scene made from a very small Disc camera negative. The image looked like it had been made from a much larger 35 mm negative. One could see the braids in the rope sitting on the dock. About fifteen years earlier, in the mid sixties, he developed a way to encrypt information in a way that the code could not be broken by others. Again, he developed this as a leader within the KRL Information Technology Laboratory. At the time, he was also studying Shannon's work on information theory and entropy, Shannon Fano coding to use shorter codes for more frequent words or signals, etc. Bryce led a group in the areas of computer programming, applied statistics, information science, and applied mathematics. The group developed an automated way to selectively disseminate information to users based on their interest profiles and on their interest level feedback. This process is like processes used today by Google and Amazon. In the mid 1960s, there was a group of similar size to Bryce's group working down the hall from Bryce's group. They were working on psycho physics related to user assessment of digital image quality, color perception, etc. The Bayer filter enables a digital imaging system to do what the eye does. The extra green sensors provide more luminance information, as the rods in the eye do, when it is dark. When the digital imaging system and the eye encounter situations with low levels of illumination, both systems can provide and use more luminance information and less chrominance information.

Почести и награды

В 2009 году Байер был удостоен медали "За прогресс" Королевского фотографического общества за "признание любого изобретения, исследования, публикации или иного вклада, повлекшего за собой важный прогресс в научном или технологическом развитии фотографии или визуализации в самом широком смысле". В 2012 году Байер получил первую медаль Camera Origination and Imaging от Общества инженеров кино и телевидения.

Личная жизнь и смерть

У Байера и его жены было два сына, Дуглас и Дэвид, и дочь, Джанет. Байер скончался 13 ноября 2012 года в городе Бат, штат Мэн, от "продолжительной болезни, вызванной деменцией", – сообщил его сын Дуглас газете The New York Times.