Почему на фото появляется муар? Научное объяснение

Что такое эффект муара?

Если вы снимали экран компьютера, полосатую рубашку или кирпичную стену, вы наверняка видели странные волнистые радужные узоры — это эффект муара. В реальности их нет: это оптический артефакт от взаимодействия объекта и камеры. Идеальный кадр превращается в отвлекающую «психоделику».

Слово «муар» пришло из французской текстильной промышленности и описывало ткань с водянистой, рябящей поверхностью. Ткачи шёлка создавали этот эффект намеренно. В цифровой фотографии это почти всегда нежелательная ошибка, с которой фотографы борются.

Наука: интерференционные узоры

В основе муара — интерференционный узор. Он возникает, когда две сетки накладываются, но не совпадают идеально. В фотографии это:

• Узор объекта: мелкая деталь (пиксели экрана, нити ткани, линии небоскрёба).
• Узор сенсора: фиксированная сетка фотоячеек (пикселей) матрицы камеры.

Когда частота узора объекта близка к частоте пиксельной сетки или выше неё, камера не может точно передать деталь. Это пространственный алиасинг. Вместо настоящих тонких линий сенсор рисует новую волну более низкой частоты — это и есть муар.

Теорема Найквиста — Шеннона

Чтобы точно воспроизвести сигнал (здесь — визуальную деталь), его нужно дискретизировать с частотой как минимум вдвое выше самой высокой частоты в сигнале. Это частота Найквиста.

Проще: чтобы записать 100 линий на дюйм, сенсор должен разрешать хотя бы 200 линий на дюйм. Если деталь мельче, чем может зафиксировать сенсор, «лишние» данные не исчезают — они складываются обратно в видимый спектр ложными узорами, то есть муаром.

Цветовой муар и яркостный муар

Чаще всего встречаются два вида, и они нередко идут вместе:

• Яркостный муар: изогнутые светлые и тёмные волны. Страдают деталь и фактура. Похоже на рябь на воде, часто на архитектуре и чёрно-белых тканях.
• Цветовой муар: радужные полосы (фиолетовые, зелёные, жёлтые). Причина — фильтр Байера на большинстве сенсоров. Красные, зелёные и синие пиксели стоят мозаикой. Когда мелкая деталь конфликтует с этой цветовой сеткой, камера «угадывает» неверный цвет.

Роль оптического низкочастотного фильтра (OLPF)

Много лет производители боролись с муаром аппаратно: перед сенсором ставили оптический низкочастотный фильтр (OLPF), он же антиалиасинговый фильтр.

Фильтр слегка размывает входящее изображение — достаточно, чтобы сгладить самые мелкие детали, вызывающие алиасинг, но, по замыслу, не настолько, чтобы убить резкость. Высокие частоты отсекаются до сенсора.

В погоне за резкостью современные камеры (Nikon Z, Sony Alpha R, Canon R5) часто обходятся без OLPF и полагаются на большое число мегапикселей. Кадры резче, но муар возвращается — особенно в моде и архитектуре.

Почему это трудно исправить

Муар «запечён» в сырые данные. Сенсор буквально увидел неверный узор, и чтобы его убрать, нужно математически восстановить, как изображение должно было выглядеть. Это не «стереть пятно»: ложный узор надо отделить от настоящей фактуры.

Классические редакторы часто просто размывают текстуру, чтобы спрятать узор. ИИ вроде Morie становится стандартом, потому что может восстановить вероятную исходную фактуру и вычесть геометрическую интерференцию.