Snímače klasických fotoaparátů jsou koncipované podle návrhu Bryce Bayera. Jde o jasové snímače a aby z nich bylo možné dostat barevný výstup, jsou jednotlivé fotocitlivé prvky střídavě překryty červeným, zeleným a modrým filtrem v matici 2×2, kdy dva ze čtyř filtrů jsou zelené, jeden modrý a jeden červený. Některé fotocitlivé prvky snímače tedy „vidí“ zelenou, některé modrou a některé červenou.

V případě displejů bychom mluvili o subpixelech, ale v případě snímačů se z každého „subpixelu“ domaluje celý pixel. Dvě barevné složky, které chybí, se získají interpolací z hodnot, které zachytily okolní fotocitlivé prvky. Poměr „subpixelů“ a pixelů je tak u těchto snímačů 1:1 a nikoli 3:1 jako u většiny displejů. Výhodou tedy je, že výstup má mnoho pixelů (megapixelů), ale 2/3 přinejmenším obrazových dat jsou „vymyšlené“, získané interpolací a dalšími algoritmy. Tedy nepřesné, v praxi neostré a často obsahující artefakty.

Schéma snímače s bayerovou maskou

Během vývoje fototechniky se výrobci snímačů snažili artefakty různým způsobem omezit a jedním z hlavních prostředků je tzv. low-pass filtr, optický filtr umístěný na snímač, který dopadající obraz rozostří tak, aby detaily původně odpovídající jednomu pixelu byly po průchodu rozostřeny a dopadly na skupinu sousedních pixelů. Tím se sníží nebo potlačí některé artefakty dané bayerovou maskou, ale zároveň tím dojde k dalšímu snížení ostrosti (detailnosti) obrazu.

vlevo: pixel snímače, vedle něj promítnutý bod
vpravo: pixel snímače, vedle něj „flek“, který z bodu vznikl po průchodu low-pass filtrem

Postupem času ale výrobci osazují slabší a slabší low-pass filtry, protože při klesající rozteči „pixelů“ na snímači roste vliv difrakce, rozptylu světla souvisejícího s clonou objektivu. Přesto zatím většina fotoaparátů low-pass filtr využívá a jen některé „specialitky“ jím nedisponují (např. již legendární Nikon D800E).

Na druhé straně pak existují snímače Foveon, pro které neplatí prakticky nic z toho, co bylo řečeno výše. Foveon se skládá z vrstev, z nichž každá souvisle zachycuje zelenou, modrou a červenou složku, takže pro každý pixel jsou k dispozici všechny tři barevné hodnoty, čímž odpadá potřeba interpolace a řešení problémů, které u tohoto systému nevznikají (Foveon má zase své problémy jiného charakteru, ale to by bylo na jiný článek).

Schéma snímače Foveon

Foveon nicméně funguje jako určitá reference toho, jak může být obraz digitálního snímače ostrý a detailní na úrovni pixelu. Tento vzhled je poměrně vysoce ceněn a není proto překvapivé, že se výrobci aparátů s klasickými snímači snaží této úrovni detailu přiblížit. V posledních letech se proto stále častěji setkáváme s technologií pixel-shift. Spočívá v tom, že fotografie je složena z několika dílčích snímků, z nichž každý je zachycen s posunem snímače o jeden „pixel“ tak, aby pro každý výsledný pixel byla zachycena červená, modrá i zelená hodnota.

Tím se lze více či méně přiblížit per-pixel detailu, kteří fotografové znají u Foveonu. Míra úspěchu tohoto řešení ale závisí na několika faktorech tím prvním je, jak dobře je technologie implementovaná, tedy jak přesný posun je. Dále zda má fotoaparát low-pass filtr a jak silný je. Pokud totiž aparát low-pass filtr má, pak dojde jen k částečnému zlepšení (odpadnou artefakty a trochu se zlepší detaily) - k posunu na úroveň Foveonu ale nedojde, protože low-pass filtr dílčí snímky, z nichž vznikne výsledná fotka, stále rozostřuje

Nakonec jsou tu i limitace pohybového charakteru. Protože fotka vzniká ze snímků zachycených s posunem času, nesmí být fotoaparátem pohnuto, jinými slovy musí být použit kvalitní stativ. Stejně tak se nesmí pohybovat ani scéna, takže při větru (stromy, rostliny), pohybu zvířat, osob a jiných objektů v záměru vznikne nepoužitelný výstup.

Průkopníkem v tomto směru byl Hasselblad s modelem H3DII-39MS, technologii označoval jako multi-shot. Pozdější model H4D-200ms (na snímku) nabízel režim se čtyřnásobnou expozicí podobný jako u Sony nebo režim se šestinásobnou expozicí, který zvyšoval celkové rozlišení výstupu. Nasnímání 200MPix snímku ale trvalo půl minuty.

• Hasselblad H4D-200ms: 200MPix za 30 sekund ²⁰¹¹

Snímání s posunem snímače už před mnoha lety jako první implementoval Hasselblad v nejdražší řadě profesionálních digitálních aparátů, následoval jej Olympus, jehož implementace ovšem nebyla příliš přesvědčivá, svoje řešení nabídl i Pentax s viditelně lepšími výsledky a nyní seznam pixel-shift aparátů doplňuje a7R III od Sony. Z prvních ukázek, které nabídla redakce webu DPReview lze soudit na povedenou implementaci, která při snímání stacionárních scén ze stativu může dát velmi pěkné výsledky.

• Sony A7R Mark III, ve stopách hi-end modelu A9

Na výřezech snímků, které nafotila redakce DPReview, vidíme, že s pixel-shift (vždy vlevo) mizí barevné moiré bayerovy masky:

Barevné moire, které se objevuje nejvíce u jemné kontrastní (černobílé) kresby zmizelo i v ukázce textu:

Ostřejší jsou i přechody, které se spíš než rozdílem v jasového hodnotě liší rozdílem v barevné hodnotě. V důsledku toho ustoupily i artefakty na těchto přechodech.

Protože pixel shift pro každý pixel zachytí všechny barevné kanály, je zvýšena i jasová hodnota, respektive zlepšen odstup signál-šum, což v kombinaci s přesnějším zachycením barevných detailů a absence interpolace dává vzniknout obrazu s reálnějšími nevypranými barvami a prostorovějším dojmem, standardní snímek (vpravo) ve srovnání s levným působí poměrně ploše.

Pixel-shift má ale i jednu „nevýhodu“. Protože lépe vidí barevné detaily, neodpustí objektivu barevné optické vady, takže chromatická aberace (barevný posun u krajů snímků) bude vidět naplno - vykazuje-li objektiv tuto vadu:

Ukázka chromatické aberace alespoň vysvětluje, proč majitelé zrcadlovek s Foveonem řeší optickou kvalitu objektivů o tolik výrazněji než uživatelé ostatních značek (a možná i to, proč se optické vlastnosti objektivů Sigmy tak výrazně zlepšily, když je začala testovat Foveonem).

Nakonec výřez ze záběru reálné scenérie - střed obrazu:

Autorovi snímku se podařilo snímek pořídit za bezvětří, takže je ostřejší nejen budova, ale i listnatý strom.

Pokud tedy situaci shrnu, pixel-shift v podání Sony je plně funkční a dobře implementovaná technologie, která zlepší ostrost, detaily, barvy, sníží šum a moire a dá vzniknout hezčím prostorovějším snímkům. Tato technologie má ale i svá principielní negativa: Podmínkou je stativ a absolutně nehybná scenérie, takže se tento režim hodí hlavně na architekturu, makro a detail. Za předpokladu úplného bezvětří i na krajiny.