Filtru Bayer - Bayer filter

Nu trebuie confundat cu filtrul Bayes .
„RGBG” redirecționează aici. Pentru schema de matrice de subpixeli utilizată în afișajele dispozitivelor electronice, consultați PenTile RGBG .
„Matricea Bayer” redirecționează aici. Pentru matricea Bayer utilizată în modelarea dithering (creată și de Bryce Bayer), consultați Dithering ordonat .
Aranjamentul Bayer al filtrelor de culoare pe matricea de pixeli a unui senzor de imagine
Profilul / secțiunea transversală a senzorului

Un mozaic de filtru Bayer este o matrice de filtre de culoare (CFA) pentru aranjarea filtrelor de culoare RGB pe o rețea pătrată de fotosenzori. Dispunerea sa specială de filtre de culoare este utilizată în majoritatea senzorilor de imagine digitale cu un singur cip utilizați în camerele digitale, camerele video și scanerele pentru a crea o imagine color. Modelul filtrului este pe jumătate verde, un sfert roșu și un sfert albastru, prin urmare se mai numește și BGGR, RGBG , GRBG sau RGGB .

Este numit după inventatorul său, Bryce Bayer din Eastman Kodak . Bayer este, de asemenea, cunoscut pentru matricea definită recursiv utilizată în dithering ordonat .

Alternativele la filtrul Bayer includ atât modificări diferite ale culorilor și aranjamentului, cât și tehnologii complet diferite, cum ar fi eșantionarea pe site-uri de culoare , senzorul Foveon X3 , oglinzile dicroice sau o matrice transparentă de filtru difractiv.

Explicaţie

  1. Scena originală
  2. Ieșirea unui senzor de 120 × 80 pixeli cu filtru Bayer
  3. Ieșire codificată prin culori cu culorile filtrului Bayer
  4. Imagine reconstituită după interpolarea informațiilor despre culoare lipsă
  5. Versiune RGB completă la 120 × 80 pixeli pentru comparație (de exemplu, ca scanare de film, poate apărea imaginea Foveon sau pixel shift )

Brevetul lui Bryce Bayer (brevetul SUA nr. 3.971.065) din 1976 a numit fotosenzorii verzi elemente sensibile la luminanță și cele roșii și albastre elemente sensibile la crominanță . El a folosit de două ori mai multe elemente verzi decât roșu sau albastru pentru a imita fiziologia ochiului uman . Percepția de luminanță a retinei umane folosește celule conice M și L combinate, în timpul vederii cu lumina zilei, care sunt cele mai sensibile la lumina verde. Aceste elemente sunt menționate ca elemente de senzor , sensels , senzori pixel , sau pur și simplu pixeli ; valorile eșantionului detectate de acestea, după interpolare, devin pixeli de imagine . În momentul în care Bayer și-a înregistrat brevetul, el a propus, de asemenea, să folosească o combinație cyan-magenta-galben , adică un alt set de culori opuse. Acest aranjament nu era practic la vremea respectivă, deoarece nu existau vopselele necesare, dar este utilizat în unele camere digitale noi. Marele avantaj al noilor coloranți CMY este că au o caracteristică îmbunătățită de absorbție a luminii; adică eficiența cuantică a acestora este mai mare.

Brută Ieșirea camerelor Bayer filtru este menționată ca un model Bayer imagine. Deoarece fiecare pixel este filtrat pentru a înregistra doar una din cele trei culori, datele de la fiecare pixel nu pot specifica pe deplin fiecare dintre valorile roșu, verde și albastru. Pentru a obține o imagine color, se pot utiliza diferiți algoritmi de demozaicare pentru a interpola un set de valori complete de roșu, verde și albastru pentru fiecare pixel. Acești algoritmi utilizează pixelii din jur ai culorilor corespunzătoare pentru a estima valorile pentru un anumit pixel.

Diferenți algoritmi care necesită diferite cantități de putere de calcul au ca rezultat imagini finale de calitate diferită. Acest lucru se poate face în cameră, producând o imagine JPEG sau TIFF , sau în afara camerei, utilizând datele brute direct de la senzor. Deoarece puterea de procesare a procesorului camerei este limitată, mulți fotografi preferă să efectueze aceste operații manual pe un computer personal. Cu cât camera este mai ieftină, cu atât sunt mai puține oportunități de a influența aceste funcții. În camerele profesionale, funcțiile de corecție a imaginii sunt complet absente sau pot fi dezactivate. Înregistrarea în format Raw oferă posibilitatea de a selecta manual algoritmul de demosaicing și de a controla parametrii de transformare, care este utilizat nu numai în fotografia de consum, ci și în rezolvarea diferitelor probleme tehnice și fotometrice.

Demozaicarea

Demozaierea poate fi efectuată în diferite moduri. Metodele simple interpolează valoarea culorii pixelilor de aceeași culoare din vecinătate. De exemplu, odată ce cipul a fost expus unei imagini, fiecare pixel poate fi citit. Un pixel cu filtru verde oferă o măsurare exactă a componentei verzi. Componentele roșii și albastre pentru acest pixel sunt obținute de la vecini. Pentru un pixel verde, doi vecini roșii pot fi interpolați pentru a produce valoarea roșie, de asemenea, doi pixeli albastri pot fi interpolați pentru a produce valoarea albastră.

Această abordare simplă funcționează bine în zonele cu culori constante sau cu gradiente netede, dar poate provoca artefacte, cum ar fi sângerarea culorii în zonele în care există schimbări bruste de culoare sau luminozitate, în special vizibile de-a lungul marginilor ascuțite ale imaginii. Din această cauză, alte metode de demozaicare încearcă să identifice muchiile cu contrast ridicat și să interpoleze numai de-a lungul acestor margini, dar nu între ele.

Alți algoritmi se bazează pe presupunerea că culoarea unei zone din imagine este relativ constantă chiar și în condiții de lumină schimbătoare, astfel încât canalele de culoare sunt puternic corelate între ele. Prin urmare, canalul verde este interpolat la început apoi la roșu și apoi la canalul albastru, astfel încât raportul de culoare roșu-verde respectiv albastru-verde să fie constant. Există și alte metode care fac presupuneri diferite despre conținutul imaginii și pornind de la această încercare de a calcula valorile lipsite de culoare.

Artefacte

Imaginile cu detalii la scară mică, apropiate de limita de rezoluție a senzorului digital, pot fi o problemă pentru algoritmul de demozaizare, producând un rezultat care nu seamănă cu modelul. Cel mai frecvent artefact este Moiré , care poate apărea ca modele repetate, artefacte de culoare sau pixeli dispuși într-un model nerealist asemănător unui labirint.

Artefact de culoare falsă

Un artefact obișnuit și nefericit al interpolării sau demosaicing-ului Color Filter Array (CFA) este ceea ce este cunoscut și văzut ca colorare falsă. De obicei, acest artefact se manifestă de-a lungul marginilor, unde se produc schimbări bruste sau nenaturale de culoare ca urmare a unei greșeli de interpolare peste o margine. Există diferite metode pentru prevenirea și îndepărtarea acestei colorări false. Interpolarea de tranziție a nuanțelor netede este utilizată în timpul demozației pentru a preveni culorile false să se manifeste în imaginea finală. Cu toate acestea, există și alți algoritmi care pot elimina culorile false după demozaizare. Acestea au avantajul de a elimina artefactele de colorare false din imagine în timp ce se utilizează un algoritm de demosaizare mai robust pentru interpolarea planurilor de culoare roșu și albastru.

Trei imagini care înfățișează artefactul de demosaizare a culorii false.

Artefact cu fermoar

Artefactul cu fermoar este un alt efect secundar al demozației CFA, care apare și în primul rând de-a lungul marginilor, este cunoscut sub numele de efect cu fermoar. Pur și simplu, fermoarul este un alt nume pentru estomparea muchiilor care apare într-un model de pornire / oprire de-a lungul unei muchii. Acest efect apare atunci când algoritmul de demozaizare face media valorilor pixelilor pe o margine, în special în planurile roșu și albastru, rezultând încețoșarea caracteristică a acestuia. Așa cum am menționat anterior, cele mai bune metode pentru prevenirea acestui efect sunt diferiții algoritmi care interpolează de-a lungul, mai degrabă decât peste marginile imaginii. Interpolare de recunoaștere a modelelor, interpolare adaptivă a planului de culoare și interpolare ponderată direcțional toate încearcă să prevină fermoarul prin interpolare de-a lungul marginilor detectate în imagine.

Trei imagini care descriu artefactul cu fermoar al demozației CFA

Cu toate acestea, chiar și cu un senzor teoretic perfect, care ar putea capta și distinge toate culorile la fiecare fotosite, ar putea apărea în continuare Moiré și alte artefacte. Aceasta este o consecință inevitabilă a oricărui sistem care probează un semnal altfel continuu la intervale sau locații discrete. Din acest motiv, majoritatea senzorului digital fotografic încorporează ceva numit filtru optic low-pass (OLPF) sau filtru anti-aliasing (AA) . Acesta este de obicei un strat subțire direct în fața senzorului și funcționează prin estomparea efectivă a detaliilor potențial problematice, care sunt mai fine decât rezoluția senzorului.

Modificări

Articol principal: Matrice de filtre de culoare
Trei noi modele de filtrare Kodak RGBW

Filtrul Bayer este aproape universal pe camerele digitale de consum. Alternativele includ filtrul CYGM ( cyan , galben , verde, magenta ) și filtrul RGBE (roșu, verde, albastru, smarald ), care necesită o detașare similară. Senzorul Foveon X3 (care acoperă senzorii roșu, verde și albastru pe verticală, mai degrabă decât folosind un mozaic) și aranjamentele a trei CCD-uri separate (unul pentru fiecare culoare) nu au nevoie de detașare.

Celule „pancromatice”

La 14 iunie 2007, Eastman Kodak a anunțat o alternativă la filtrul Bayer: un model de filtru de culoare care crește sensibilitatea la lumină a senzorului de imagine într-o cameră digitală prin utilizarea unor celule „pancromatice” care sunt sensibile la toate lungimile de undă ale vizibilului. luminează și colectează o cantitate mai mare de lumină lovind senzorul. Acestea prezintă mai multe modele, dar niciunul cu o unitate repetată la fel de mică ca unitatea 2 × 2 a modelului Bayer.

Model de filtru RGBW anterior

O altă înregistrare a brevetului SUA din 2007, de Edward T. Chang, revendică un senzor în care „filtrul de culoare are un model cuprinzând 2 × 2 blocuri de pixeli compuși dintr-un roșu, unul albastru, unul verde și un pixel transparent”, într-o configurație destinată pentru a include sensibilitate în infraroșu pentru o sensibilitate generală mai mare. Depunerea brevetului Kodak a fost mai devreme.

Astfel de celule au fost utilizate anterior în senzorii „ CMYW ” (cyan, magenta, galben și alb) „RGBW” (roșu, verde, albastru, alb), dar Kodak nu a comparat încă noul model de filtrare cu aceștia.

Fujifilm "EXR" matrice de filtre de culoare

Senzor EXR

Filtrul de culori EXR al Fujifilm este fabricat atât în ​​CCD ( SuperCCD ), cât și în CMOS (BSI CMOS). La fel ca la SuperCCD, filtrul în sine este rotit cu 45 de grade. Spre deosebire de modelele convenționale de filtre Bayer, există întotdeauna două fotografii adiacente care detectează aceeași culoare. Motivul principal pentru acest tip de matrice este de a contribui la „binning” de pixeli, unde două site-uri foto adiacente pot fi îmbinate, făcând senzorul în sine mai „sensibil” la lumină. Un alt motiv este ca senzorul să înregistreze două expuneri diferite, care apoi este combinat pentru a produce o imagine cu o gamă dinamică mai mare. Circuitul de bază are două canale de citire care își iau informațiile din rânduri alternative ale senzorului. Rezultatul este că poate acționa ca doi senzori intercalați, cu timpi de expunere diferiți pentru fiecare jumătate a site-urilor. Jumătate din site-urile foto pot fi subexpuse intenționat, astfel încât să capteze pe deplin zonele mai luminoase ale scenei. Aceste informații de evidențiere reținute pot fi apoi amestecate cu ieșirea din cealaltă jumătate a senzorului care înregistrează o expunere „completă”, utilizând din nou spațiul strâns al unor site-uri colorate în mod similar.

Filtru Fujifilm "X-Trans"

Articol principal: Senzor Fujifilm X-Trans
Grila repetată 6 × 6 utilizată în senzorul x-trans

Senzorul Fujifilm X-Trans CMOS utilizat în multe camere Fujifilm din seria X se pretinde că oferă o rezistență mai bună la moiré de culoare decât filtrul Bayer și, ca atare, pot fi fabricate fără un filtru anti-aliasing. La rândul său, acest lucru permite camerelor care folosesc senzorul să obțină o rezoluție mai mare cu același număr de megapixeli. De asemenea, se pretinde că noul design reduce incidența culorilor false, având pixeli roșii, albastru și verde în fiecare linie. Aranjamentul acestor pixeli se spune, de asemenea, că oferă cereale mai mult ca film.

Unul dintre principalele dezavantaje este că suportul pentru modelul personalizat poate să nu aibă suport complet în software-ul de procesare brută terță parte, cum ar fi Adobe Photoshop Lightroom, unde adăugarea de îmbunătățiri a durat mai mulți ani.

Quad Bayer

Sony a introdus matricea de filtru de culoare Quad Bayer, care a apărut pentru prima dată în Huawei P20 Pro lansat pe 27 martie 2018. Quad Bayer este similar cu filtrul Bayer, cu toate acestea 2x2 pixeli adiacenți au aceeași culoare, modelul 4x4 are 4x albastru, 4x roșu, și 8x verde. Pentru scene mai întunecate, procesarea semnalului poate combina datele din fiecare grup 2x2, în esență ca un pixel mai mare. Pentru scene mai luminoase, procesarea semnalului poate transforma Quad Bayer într-un filtru convențional Bayer pentru a obține o rezoluție mai mare. Pixelii din Quad Bayer pot fi operați în integrare de lungă durată și integrare de scurtă durată pentru a obține o singură fotografie HDR, reducând problemele de amestecare. Quad Bayer este, de asemenea, cunoscut sub numele de Tetracell de către Samsung și cu 4 celule de către OmniVision .

Pe 26 martie 2019, seria Huawei P30 a fost anunțată cu RYYB Quad Bayer, cu modelul 4x4 cu 4x albastru, 4x roșu și 8x galben.

Nonacell

Pe 12 februarie 2020, Samsung Galaxy S20 Ultra a fost anunțat cu Nonacell CFA. Nonacell CFA este similar cu filtrul Bayer, totuși pixelii adiacenți de 3x3 au aceeași culoare, modelul 6x6 prezintă 9x albastru, 9x roșu și 18x verde.

Vezi si

Referințe

Prima pagină a brevetului lui Bryce Bayer din 1976 privind mozaicul filtrului model Bayer, care arată terminologia sa de elemente sensibile la luminanță și sensibile la crominanță

Note

linkuri externe