Filtro Bayer - Bayer filter

La disposizione Bayer dei filtri colore sulla matrice di pixel di un sensore di immagine
Profilo/sezione del sensore

Un mosaico di filtri Bayer è un array di filtri colorati (CFA) per disporre i filtri colorati RGB su una griglia quadrata di fotosensori. La sua particolare disposizione dei filtri colorati viene utilizzata nella maggior parte dei sensori di immagini digitali a chip singolo utilizzati nelle fotocamere digitali, videocamere e scanner per creare un'immagine a colori. Il modello del filtro è mezzo verde, un quarto rosso e un quarto blu, quindi è anche chiamato BGGR, RGBG , GRBG o RGGB .

Prende il nome dal suo inventore, Bryce Bayer di Eastman Kodak . Bayer è anche noto per la sua matrice definita ricorsivamente utilizzata nel dithering ordinato .

Le alternative al filtro Bayer includono sia varie modifiche di colori e disposizione che tecnologie completamente diverse, come il campionamento co-sito del colore , il sensore Foveon X3 , gli specchi dicroici o un array di filtri diffrattivi trasparenti.

Spiegazione

  1. Scena originale
  2. Uscita di un sensore da 120×80 pixel con filtro Bayer
  3. Uscita codificata a colori con i colori del filtro Bayer
  4. Immagine ricostruita dopo aver interpolato le informazioni sui colori mancanti
  5. Versione RGB completa a 120×80 pixel per il confronto (ad esempio, potrebbe apparire una scansione di pellicola, Foveon o un'immagine con spostamento dei pixel )

Il brevetto di Bryce Bayer (brevetto USA n. 3.971.065) nel 1976 chiamava i fotosensori verdi elementi sensibili alla luminanza e quelli rossi e blu elementi sensibili alla crominanza . Ha usato il doppio degli elementi verdi del rosso o del blu per imitare la fisiologia dell'occhio umano . La percezione della luminanza della retina umana utilizza le cellule coniche M e L combinate, durante la visione diurna, che sono le più sensibili alla luce verde. Questi elementi sono indicati come elementi sensori , sensels , sensori a pixel , o semplicemente pixel ; i valori campione da loro rilevati, dopo l'interpolazione, diventano pixel dell'immagine . All'epoca in cui Bayer ha registrato il suo brevetto, ha anche proposto di utilizzare una combinazione ciano-magenta-giallo , ovvero un'altra serie di colori opposti. Questa disposizione era poco pratica all'epoca perché i coloranti necessari non esistevano, ma viene utilizzata in alcune nuove fotocamere digitali. Il grande vantaggio dei nuovi coloranti CMY è che hanno una migliore caratteristica di assorbimento della luce; cioè, la loro efficienza quantica è maggiore.

L' output grezzo delle fotocamere con filtro Bayer è indicato come immagine del modello Bayer . Poiché ogni pixel viene filtrato per registrare solo uno dei tre colori, i dati di ciascun pixel non possono specificare completamente ciascuno dei valori di rosso, verde e blu da soli. Per ottenere un'immagine a colori, è possibile utilizzare vari algoritmi di demosaicizzazione per interpolare una serie di valori completi di rosso, verde e blu per ciascun pixel. Questi algoritmi utilizzano i pixel circostanti dei colori corrispondenti per stimare i valori per un particolare pixel.

Algoritmi diversi che richiedono diverse quantità di potenza di calcolo producono immagini finali di qualità variabile. Questo può essere fatto all'interno della fotocamera, producendo un'immagine JPEG o TIFF , o all'esterno della fotocamera utilizzando i dati grezzi direttamente dal sensore. Poiché la potenza di elaborazione del processore della fotocamera è limitata, molti fotografi preferiscono eseguire queste operazioni manualmente su un personal computer. Più economica è la fotocamera, minori sono le opportunità di influenzare queste funzioni. Nelle fotocamere professionali, le funzioni di correzione dell'immagine sono completamente assenti o possono essere disattivate. La registrazione in formato Raw offre la possibilità di selezionare manualmente l' algoritmo di demosaicizzazione e controllare i parametri di trasformazione, che viene utilizzato non solo nella fotografia dei consumatori ma anche nella risoluzione di vari problemi tecnici e fotometrici.

Demosaicizzazione

La demosaicizzazione può essere eseguita in diversi modi. Semplici metodi interpolano il valore del colore dei pixel dello stesso colore nelle vicinanze. Ad esempio, una volta che il chip è stato esposto a un'immagine, ogni pixel può essere letto. Un pixel con un filtro verde fornisce una misurazione esatta della componente verde. I componenti rosso e blu per questo pixel sono ottenuti dai vicini. Per un pixel verde, possono essere interpolati due vicini rossi per ottenere il valore rosso, inoltre due pixel blu possono essere interpolati per ottenere il valore blu.

Questo semplice approccio funziona bene in aree con colore costante o gradienti uniformi, ma può causare artefatti come l'effetto bleeding del colore nelle aree in cui si verificano bruschi cambiamenti di colore o luminosità particolarmente evidenti lungo i bordi netti dell'immagine. Per questo motivo, altri metodi di demosaicizzazione tentano di identificare i bordi ad alto contrasto e interpolano solo lungo questi bordi, ma non attraverso di essi.

Altri algoritmi si basano sul presupposto che il colore di un'area dell'immagine sia relativamente costante anche in condizioni di luce variabili, in modo che i canali di colore siano altamente correlati tra loro. Pertanto, il canale verde viene prima interpolato poi il canale rosso e poi il canale blu, in modo che il rapporto di colore rosso-verde rispettivo blu-verde sia costante. Esistono altri metodi che fanno ipotesi diverse sul contenuto dell'immagine e partendo da questo tentativo di calcolare i valori di colore mancanti.

Artefatti

Le immagini con dettagli su piccola scala vicini al limite di risoluzione del sensore digitale possono essere un problema per l'algoritmo di demosaicizzazione, producendo un risultato che non assomiglia al modello. L'artefatto più frequente è Moiré , che può apparire come motivi ripetuti, artefatti di colore o pixel disposti in uno schema irrealistico simile a un labirinto.

Artefatto a falsi colori

Un artefatto comune e sfortunato dell'interpolazione o demosaicing di Color Filter Array (CFA) è ciò che è noto e visto come falsa colorazione. In genere questo artefatto si manifesta lungo i bordi, dove si verificano cambiamenti di colore improvvisi o innaturali come risultato di un'errata interpolazione attraverso, piuttosto che lungo, un bordo. Esistono vari metodi per prevenire e rimuovere questa falsa colorazione. L'interpolazione della transizione della tonalità uniforme viene utilizzata durante la demosaicizzazione per evitare che i falsi colori si manifestino nell'immagine finale. Tuttavia, esistono altri algoritmi che possono rimuovere i falsi colori dopo la demosaicizzazione. Questi hanno il vantaggio di rimuovere i falsi artefatti di colorazione dall'immagine mentre utilizzano un algoritmo di demosaicizzazione più robusto per l'interpolazione dei piani di colore rosso e blu.

Tre immagini raffiguranti il ​​manufatto demosaico in falsi colori.

Artefatto cerniera

L'artefatto della cerniera è un altro effetto collaterale della demosaicizzazione CFA, che si verifica anche principalmente lungo i bordi, è noto come effetto cerniera. In poche parole, la cerniera è un altro nome per la sfocatura dei bordi che si verifica in uno schema on/off lungo un bordo. Questo effetto si verifica quando l'algoritmo di demosaicizzazione calcola la media dei valori dei pixel su un bordo, specialmente nei piani rosso e blu, determinando la caratteristica sfocatura. Come accennato in precedenza, i metodi migliori per prevenire questo effetto sono i vari algoritmi che interpolano lungo i bordi dell'immagine anziché attraverso i bordi. L'interpolazione di riconoscimento del modello, l'interpolazione adattiva del piano di colore e l'interpolazione ponderata direzionale tentano tutte di prevenire la cerniera interpolando lungo i bordi rilevati nell'immagine.

Tre immagini che ritraggono l'artefatto della chiusura lampo del demosaicing del CFA

Tuttavia, anche con un sensore teoricamente perfetto in grado di catturare e distinguere tutti i colori in ogni photosite, potrebbero ancora apparire Moiré e altri artefatti. Questa è una conseguenza inevitabile di qualsiasi sistema che campiona un segnale altrimenti continuo a intervalli o posizioni discreti. Per questo motivo, la maggior parte dei sensori digitali fotografici incorpora qualcosa chiamato filtro passa-basso ottico (OLPF) o filtro anti-aliasing (AA) . Questo è in genere uno strato sottile direttamente davanti al sensore e funziona sfocando efficacemente tutti i dettagli potenzialmente problematici che sono più fini della risoluzione del sensore.

Modifiche

Tre nuovi modelli di filtri Kodak RGBW

Il filtro Bayer è quasi universale sulle fotocamere digitali consumer. Le alternative includono il filtro CYGM ( ciano , giallo , verde, magenta ) e il filtro RGBE (rosso, verde, blu, smeraldo ), che richiedono una demosaicizzazione simile. Il sensore Foveon X3 (che sovrappone verticalmente i sensori rosso, verde e blu anziché utilizzare un mosaico) e le disposizioni di tre CCD separati (uno per ogni colore) non necessitano di demosaicizzazione.

Cellule "pancromatiche"

Il 14 giugno 2007, Eastman Kodak ha annunciato un'alternativa al filtro Bayer: un modello di filtro colore che aumenta la sensibilità alla luce del sensore di immagine in una fotocamera digitale utilizzando alcune celle "pancromatiche" sensibili a tutte le lunghezze d'onda del visibile luce e raccogliere una maggiore quantità di luce che colpisce il sensore. Presentano diversi modelli, ma nessuno con un'unità ripetitiva piccola come l'unità 2×2 del modello Bayer.

Modello di filtro RGBW precedente

Un altro brevetto statunitense del 2007 depositato da Edward T. Chang, rivendica un sensore in cui "il filtro colorato ha uno schema che comprende 2×2 blocchi di pixel composti da un pixel rosso, uno blu, uno verde e uno trasparente", in una configurazione prevista per includere la sensibilità agli infrarossi per una maggiore sensibilità complessiva. Il deposito del brevetto Kodak era precedente.

Tali celle sono state precedentemente utilizzate nei sensori " CMYW " (ciano, magenta, giallo e bianco) "RGBW" (rosso, verde, blu, bianco), ma Kodak non ha ancora confrontato il nuovo modello di filtro con loro.

Matrice di filtri colorati Fujifilm "EXR"

Sensore EXR

L'array di filtri colore EXR di Fujifilm è prodotto sia in CCD ( SuperCCD ) che in CMOS (BSI CMOS). Come con il SuperCCD, il filtro stesso viene ruotato di 45 gradi. A differenza dei tradizionali filtri Bayer, ci sono sempre due fotositi adiacenti che rilevano lo stesso colore. Il motivo principale di questo tipo di array è quello di contribuire al "binning" dei pixel, in cui due photosite adiacenti possono essere uniti, rendendo il sensore stesso più "sensibile" alla luce. Un altro motivo è che il sensore registra due diverse esposizioni, che vengono poi unite per produrre un'immagine con una gamma dinamica maggiore. Il circuito sottostante ha due canali di lettura che prendono le loro informazioni da file alternate del sensore. Il risultato è che può agire come due sensori interlacciati, con tempi di esposizione diversi per ciascuna metà dei photosite. La metà dei photosite può essere intenzionalmente sottoesposta in modo da catturare completamente le aree più luminose della scena. Queste informazioni sui punti salienti conservate possono quindi essere integrate con l'output dell'altra metà del sensore che sta registrando un'esposizione "completa", sfruttando nuovamente la spaziatura ravvicinata di photosite di colore simile.

Filtro Fujifilm "X-Trans"

La griglia ripetitiva 6×6 utilizzata nel sensore x-trans

Si sostiene che il sensore Fujifilm X-Trans CMOS utilizzato in molte fotocamere Fujifilm serie X fornisca una migliore resistenza all'effetto moiré del colore rispetto al filtro Bayer, e come tale può essere realizzato senza un filtro anti-aliasing. Ciò a sua volta consente alle fotocamere che utilizzano il sensore di ottenere una risoluzione più elevata con lo stesso numero di megapixel. Inoltre, si afferma che il nuovo design riduca l'incidenza dei falsi colori, avendo pixel rossi, blu e verdi in ogni riga. Si dice anche che la disposizione di questi pixel fornisca una grana più simile a quella di un film.

Uno dei principali svantaggi è che il supporto per il modello personalizzato può non avere il pieno supporto in software di elaborazione raw di terze parti come Adobe Photoshop Lightroom, dove l'aggiunta di miglioramenti ha richiesto diversi anni.

Quad Bayer

Sony ha introdotto l'array di filtri colorati Quad Bayer, che è apparso per la prima volta nel Huawei P20 Pro rilasciato il 27 marzo 2018. Quad Bayer è simile al filtro Bayer, tuttavia i pixel 2x2 adiacenti sono dello stesso colore, il motivo 4x4 presenta 4x blu, 4x rosso, e 8x verde. Per le scene più scure, l'elaborazione del segnale può combinare i dati di ciascun gruppo 2x2, essenzialmente come un pixel più grande. Per scene più luminose, l'elaborazione del segnale può convertire il Quad Bayer in un filtro Bayer convenzionale per ottenere una risoluzione più elevata. I pixel in Quad Bayer possono essere utilizzati in un'integrazione a lungo termine e in un'integrazione a breve termine per ottenere HDR a scatto singolo, riducendo i problemi di fusione. Quad Bayer è anche conosciuto come Tetracell di Samsung e 4-cell di OmniVision .

Il 26 marzo 2019, la serie Huawei P30 è stata annunciata con RYYB Quad Bayer, con il modello 4x4 con 4x blu, 4x rosso e 8x giallo.

nonacell

Il 12 febbraio 2020 è stato annunciato il Samsung Galaxy S20 Ultra con Nonacell CFA. Nonacell CFA è simile al filtro Bayer, tuttavia i pixel 3x3 adiacenti sono dello stesso colore, il motivo 6x6 presenta 9x blu, 9x rosso e 18x verde.

Guarda anche

Riferimenti

Prima pagina del brevetto del 1976 di Bryce Bayer sul mosaico del filtro del modello Bayer, che mostra la sua terminologia di elementi sensibili alla luminanza e alla crominanza

Appunti

link esterno