ब्लैक-एंड-व्हाइट डिजिटल फ़ाइल दो तरीक़ों से बनाई जा सकती है: एक फ़िल्टर्ड सेंसर से रंग कैप्चर करके बाद में रंग की जानकारी फेंक देना, या पहले से ही ऐसे सेंसर से सीधे luminance रिकॉर्ड करना जिस पर कभी रंग के लिए फ़िल्टर लगा ही नहीं था। दोनों रास्ते अंतिम फ्रेम में एक जैसे लग सकते हैं, लेकिन silicon तक कितनी रोशनी पहुँचती है और कितना spatial detail बचता है — इसमें बड़ा फ़र्क़ होता है। सबसे ईमानदार तुलना ठोस है, और सबसे साफ़ उदाहरण Leica का अपना जोड़ा है — दो कैमरे, एक ही silicon पर बने: M9 (2009) और M Monochrom, जिसकी घोषणा 10 मई 2012 को हुई। दोनों में एक ही Kodak KAF-18500 CCD है, 35.8 गुणा 23.9 mm, 6.8 micron pixels पर 18 megapixels। फ़र्क़ बस इतना है कि Monochrom में से कलर फ़िल्टर array को खुरच कर हटा दिया गया है।

Bayer Array और उसकी क़ीमत

लगभग हर कलर सेंसर रंग को एक colour filter array (CFA) के ज़रिये रिकॉर्ड करता है, जिसे Bryce E. Bayer ने Eastman Kodak में पेटेंट कराया था: US Patent 3,971,065, 5 मार्च 1975 को दाखिल और 20 जुलाई 1976 को मंज़ूर। पैटर्न एक दो-गुणा-दो टाइल है जिसमें एक लाल, एक नीला और दो हरे फ़िल्टर होते हैं, इसलिए हरा सभी photosites का आधा हिस्सा घेरता है, लाल और नीला एक-चौथाई-एक-चौथाई। हरे को जान-बूझकर ज़्यादा sample किया जाता है, क्योंकि मानव दृश्य प्रणाली अपनी अधिकांश luminance — यानी चमक और बारीक high-frequency detail का बोध — हरी तरंगदैर्ध्य से लेती है।

हर photosite सिर्फ़ एक primary माप लेता है, वही बैंड जो उसका फ़िल्टर पास करता है; बाकी दो मान पड़ोसी sites से demosaicing नामक प्रक्रिया में अनुमानित किए जाते हैं। इसलिए एक Bayer chip सीधे लगभग एक-तिहाई रंग जानकारी मापता है और बाकी को interpolate करता है। वह interpolation chroma resolution पर सबसे कड़ी मार करती है। Luminance कम प्रभावित होती है क्योंकि वह सघन रूप से sampled green channel को follow करती है, लेकिन प्रभाव होता ज़रूर है: एक व्यापक रूप से उद्धृत माप बताता है कि Bayer सेंसर की प्रभावी luminance resolution उसकी nominal pixel count का लगभग 0.58 गुना होती है।

Demosaicing किसी Edge को कैसे Blur करता है

नारा नहीं, mechanism अहम है। एक सामान्य demosaic पहले green channel को reconstruct करता है, क्योंकि green हर चार sites में से दो पर sample होता है और इसलिए उसके पास interpolate करने के लिए सबसे सघन grid होती है। Red और blue फिर local red-to-green और blue-to-green ratios को स्थिर रखकर derive किए जाते हैं, जिनकी ग़ायब तीन-चौथाई जानकारी green-anchored estimate से भरी जाती है।

सेंसर पर पड़ती एक तेज़ काले-से-सफ़ेद edge की कल्पना करें। यह एक high-frequency luminance event है, और luminance हर channel में होती है। लेकिन red और blue channels पर, edge के पास हर चार में से तीन samples अनुमान हैं — एक ऐसे kernel से reconstruct किए गए जो अनिवार्य रूप से edge के दोनों तरफ़ के पड़ोसी sites का औसत लेता है। किसी transition के पार औसत लेना परिभाषा से ही blur है। जहाँ कोई measured sample नहीं है वहाँ interpolation एक साफ़ सीमा नहीं रख सकती, इसलिए बारीक luminance structure नरम हो जाती है। फ़िल्टर-रहित सेंसर में ऐसी कोई समस्या नहीं: हर photosite अपनी जगह की पूरी luminance मान मापता है, एक photosite — एक pixel, कुछ भी अनुमानित नहीं।

वह फ़िल्टर जो दिखता नहीं: Anti-Aliasing Layer की अनुपस्थिति

Monochrom की per-pixel acuity में एक दूसरा, अक्सर बड़ा योगदान है, जो नज़रअंदाज़ करना आसान है। कलर सेंसरों में एक optical low-pass filter होता है — anti-aliasing (AA) filter — जो सेंसर के सामने जान-बूझकर लगाया गया blur है। इसका काम है demosaic Nyquist limit से बारीक detail को धुंधला करना, ताकि CFA data interpolate होने पर बारीक repeating patterns रंगीन moiré न बनाएँ। वह blur हर फ्रेम में sharpness की क़ीमत चुकाता है।

मोनोक्रोम सेंसर में alias होने के लिए कोई chroma नहीं है, इसलिए दबाने के लिए कोई रंगीन moiré नहीं है, और AA filter को पूरी तरह छोड़ा जा सकता है। इसलिए Monochrom को acuity दोहरे स्तर पर मिलती है: न interpolation, न optical low-pass layer। लेकिन trade यह है कि luminance aliasing फिर भी आ सकती है, इसलिए बारीक कपड़े, दूर की रेलिंगें और छत की टाइलें monochrome moiré दिखा सकती हैं, जिसे colour-plus-AA कैमरा smooth कर देता।

Marketing का दावा बनाम असली माप

Monochrom के बारे में Leica का अपना दावा है कि यह comparable megapixels के कलर सेंसर से derived मोनोक्रोम की तुलना में “100% sharper” यानी लगभग दोगुने तेज़ images देता है। इसे manufacturer का figure मानें, कोई independent result नहीं।

मापी गई हक़ीक़त ज़्यादा संयत है। Popular Photography के lab testing में M9 ने ISO 80 पर लगभग 2675 lines per picture height resolve किए, जबकि Monochrom ने ISO 160 पर लगभग 2800 lph। यह एक असली फ़ायदा है, लेकिन कुछ प्रतिशत का — दोगुना नहीं। “100% sharper” की लाइन को सबसे अच्छा marketing shorthand पढ़ें — no demosaicing और no AA filter के सम्मिलित प्रभाव के लिए — एक ऐसा प्रभाव जो genuine है और micro-contrast और edge crispness में दिखता है, लेकिन दोगुने resolved detail से काफ़ी कम पड़ता है।

संवेदनशीलता क्यों बढ़ती है

फ़िल्टर द्वारा अवशोषित रोशनी photodiode तक कभी नहीं पहुँचती। हर Bayer photosite सिर्फ़ अपना pass-band देखता है, इसलिए एक green site उस पर आने वाले अधिकांश लाल और नीले रंग को फेंक देता है। CFA हटाइए और हर photosite पूरे visible spectrum में collect करता है — एक दिए गए exposure पर हर site पर ज़्यादा photons।

यह rated speed में दिखता है। M9 की base ISO 160 है (80 तक pullable), range 2,500 पर ख़त्म; Monochrom की base 320 है, 10,000 तक। नीचे, 320 को 160 से भाग दें — ठीक एक स्टॉप अतिरिक्त base sensitivity। ऊपर, 2,500 से 10,000 — दो स्टॉप अतिरिक्त headroom। Noise improvement का भी एक mechanism है: हर photosite पर ज़्यादा photons का मतलब है एक fixed read-noise floor के ऊपर बड़ा signal, इसलिए signal-to-noise ratio बढ़ता है और shadows noise में घुलने की बजाय साफ़ और tonally separated रहती हैं।

Contrast अब Lens पर है

trade निरपेक्ष है: फ़िल्टर-रहित सेंसर कोई रंग रिकॉर्ड नहीं करता और उसे वापस convert नहीं किया जा सकता। Tonal control के लिहाज़ से इसकी एक भौतिक वजह है। Panchromatic silver-halide emulsion — और bare silicon — स्वाभाविक रूप से नीले और ultraviolet रोशनी के प्रति आँख से ज़्यादा संवेदनशील होते हैं, इसलिए बिना फ़िल्टर का नीला आकाश बहुत हल्का render होता है और बादल धुल जाते हैं। Film पर यह optically ठीक किया जाता है; मोनोक्रोम डिजिटल सेंसर पर भी बिल्कुल वही करना होता है, क्योंकि file में कोई रंग नहीं है जिसे software बाद में weight कर सके।

tool है lens के सामने एक contrast filter, absorption से काम करता हुआ। Yellow filter पीला और लंबी तरंगदैर्ध्य — orange और red — पास करता है, जबकि blue और violet को absorb करता है; orange और red और आगे बढ़ते हैं, ज़्यादा blue और green काटते हैं जिससे आकाश उत्तरोत्तर गहरा होता है और atmospheric haze — जो scattered short-wavelength रोशनी है — ग़ायब होती है। हर filter exposure में एक factor की क़ीमत माँगता है: Yellow 8 (K2) factor 2 है, एक स्टॉप; Orange 16 yellow से तेज़ बैठता है; Red 25 factor 8 है, पूरे तीन स्टॉप, और सबसे गहरा आकाश और सबसे तेज़ haze cut देता है।

एक worked example। Ilford HP5 Plus को उसकी box speed EI 400 पर shoot करें, दोपहर का landscape frame करें, और blue sky को meter करें कि वह otherwise लगभग ज़ोन VI पर गिरे। Sky को ज़ोन III या IV की तरफ़ एक dramatic near-black rendering के लिए खींचने हेतु Red 25 lens पर लगाएँ, फिर filter factor चुकाने के लिए पूरे तीन स्टॉप खोलें — working exposure effective EI 50 पर आ जाएगी। मोनोक्रोम डिजिटल body को भी वही look पाने के लिए lens पर उसी filter की ज़रूरत है, जबकि कलर कैमरे से conversion में बाद में blue channel को नीचे weight करके उसे approximate किया जा सकता था। जब कोई रंग recorded नहीं है, तो फ़ैसला exposure के वक़्त होता है — सामने लगा शीशा — वही discipline जो HP5 की शीट पर आकाश ने हमेशा माँगी है।