Bayer filter - Bayer filter

Bayer-arrangementet af farvefiltre på billedsensorens pixelarray
Profil / tværsnit af sensor

En Bayer-filtermosaik er et farvefilterarray (CFA) til at arrangere RGB- farvefiltre på et firkantet gitter af fotosensorer. Dens særlige arrangement af farvefiltre bruges i de fleste single-chip digitale billedsensorer, der bruges i digitale kameraer, videokameraer og scannere til at skabe et farvebillede. Filtermønsteret er halvt grønt, en fjerdedel rødt og en fjerdedel blåt, derfor kaldes det også BGGR, RGBG , GRBG eller RGGB .

Det er opkaldt efter sin opfinder, Bryce Bayer fra Eastman Kodak . Bayer er også kendt for sin rekursivt definerede matrix, der bruges i ordnet dithering .

Alternativer til Bayer-filteret inkluderer både forskellige modifikationer af farver og arrangement og helt forskellige teknologier, såsom sampling af farvesamarbejdssteder, Foveon X3-sensoren , de dikroiske spejle eller et transparent diffraktivt filterarray.

Forklaring

  1. Original scene
  2. Output af en 120 × 80-pixel sensor med et Bayer-filter
  3. Output farvekodet med Bayer-filterfarver
  4. Rekonstrueret billede efter interpolering af manglende farveinformation
  5. Fuld RGB-version ved 120 × 80-pixels til sammenligning (f.eks. Som en filmscanning kan Foveon eller pixel shift- billede muligvis vises)

Bryce Bayers patent (US patent nr. 3.971.065) i 1976 kaldte de grønne fotosensorer luminansfølsomme elementer og de røde og blå krominansfølsomme elementer . Han brugte dobbelt så mange grønne elementer som rød eller blå for at efterligne det menneskelige øjes fysiologi . Luminansopfattelsen af ​​den menneskelige nethinde bruger M- og L- kegleceller kombineret under dagslys, som er mest følsomme over for grønt lys. Disse elementer omtales som sensorelementer , senseler , pixelsensorer eller simpelthen pixels ; prøveværdier registreret af dem, efter interpolation, bliver billedpixels . På det tidspunkt, hvor Bayer registrerede sit patent, foreslog han også at bruge en cyan-magenta-gul kombination, det er et andet sæt modsatte farver. Dette arrangement var upraktisk på det tidspunkt, fordi de nødvendige farvestoffer ikke eksisterede, men bruges i nogle nye digitale kameraer. Den store fordel ved de nye CMY-farvestoffer er, at de har en forbedret lysabsorptionsegenskab; det vil sige, at deres kvanteffektivitet er højere.

Det output fra Bayer-filterkameraer kaldes et Bayer-mønsterbillede . Da hver pixel er filtreret til kun at optage en af ​​tre farver, kan dataene fra hver pixel ikke specificere hver af de røde, grønne og blå værdier alene. For at opnå et fuldfarvebillede kan forskellige demosaiseringsalgoritmer bruges til at interpolere et sæt komplette røde, grønne og blå værdier for hver pixel. Disse algoritmer bruger de omgivende pixels i de tilsvarende farver til at estimere værdierne for en bestemt pixel.

Forskellige algoritmer, der kræver forskellige mængder computerkraft, resulterer i endelige billeder i varierende kvalitet. Dette kan gøres i kameraet ved at producere et JPEG- eller TIFF- billede eller uden for kameraet ved hjælp af rådata direkte fra sensoren. Da kameraets processor er begrænset, foretrækker mange fotografer at udføre disse handlinger manuelt på en pc. Jo billigere kameraet, jo færre muligheder for at påvirke disse funktioner. I professionelle kameraer er billedkorrektionsfunktioner helt fraværende, eller de kan slukkes. Optagelse i Raw-format giver mulighed for manuelt at vælge demosaiseringsalgoritme og kontrollere transformationsparametrene, som ikke kun bruges i forbrugerfotografering, men også til at løse forskellige tekniske og fotometriske problemer.

Demosaicing

Demosering kan udføres på forskellige måder. Enkle metoder interpolerer farveværdien af ​​pixels i den samme farve i nabolaget. Når chippen f.eks. Er blevet eksponeret for et billede, kan hver pixel læses. En pixel med et grønt filter giver en nøjagtig måling af den grønne komponent. De røde og blå komponenter til denne pixel fås fra naboerne. For en grøn pixel kan to røde naboer interpoleres for at give den røde værdi, også to blå pixels kan interpoleres for at give den blå værdi.

Denne enkle tilgang fungerer godt i områder med konstant farve eller glatte gradienter, men det kan forårsage artefakter som f.eks. Farveblødning i områder, hvor der er pludselige ændringer i farve eller lysstyrke, som især kan mærkes langs skarpe kanter i billedet. På grund af dette forsøger andre demosaiseringsmetoder at identificere kanter med høj kontrast og kun interpolere langs disse kanter, men ikke på tværs af dem.

Andre algoritmer er baseret på antagelsen om, at farven på et område i billedet er relativt konstant, selv under skiftende lysforhold, så farvekanalerne er stærkt korreleret med hinanden. Derfor interpoleres den grønne kanal først derefter den røde og derefter den blå kanal, så farveforholdet rød-grøn respektive blå-grøn er konstant. Der er andre metoder, der antager forskellige antagelser om billedindholdet og starter fra dette forsøg på at beregne de manglende farveværdier.

Artefakter

Billeder med detaljer i lille skala tæt på opløsningsgrænsen for den digitale sensor kan være et problem for demosaiseringsalgoritmen, hvilket giver et resultat, der ikke ligner modellen. Den hyppigste artefakt er Moiré , som kan fremstå som gentagne mønstre, farvegenstande eller pixels arrangeret i et urealistisk labyrintlignende mønster.

Falske artefakter i farver

En almindelig og uheldig artefakt af Color Filter Array (CFA) interpolering eller demosaicing er, hvad der er kendt og set som falsk farvning. Typisk manifesterer denne artefakt sig langs kanter, hvor pludselige eller unaturlige forskydninger i farve forekommer som et resultat af forkert interpolering over snarere end langs en kant. Der findes forskellige metoder til at forhindre og fjerne denne falske farvning. Jævn farvetoneovergangsinterpolering bruges under demosaiseringen for at forhindre, at falske farver manifesterer sig i det endelige billede. Der er dog andre algoritmer, der kan fjerne falske farver efter demosaisering. Disse har fordelen ved at fjerne falske farveartefakter fra billedet, mens de bruger en mere robust demosaiseringsalgoritme til interpolering af de røde og blå farveplaner.

Tre billeder, der skildrer den falske farve demosaicing artefakt.

Lynlås artefakt

Den lynlåsartefakt er en anden bivirkning ved CFA-demosaisering, som også primært forekommer langs kanter, er kendt som lynlåseffekten. Kort sagt, lynlås er et andet navn for kantsløring, der forekommer i et on / off mønster langs en kant. Denne effekt opstår, når demosaiseringsalgoritmen har et gennemsnit af pixelværdier over en kant, især i de røde og blå plan, hvilket resulterer i dens karakteristiske sløring. Som nævnt før er de bedste metoder til at forhindre denne effekt de forskellige algoritmer, som interpolerer langs snarere end på tværs af billedkanter. Interpolation af mønstergenkendelse, adaptiv farveplaninterpolation og retningsvægtet interpolation forsøger alle at forhindre lynlås ved at interpolere langs kanter, der er detekteret i billedet.

Tre billeder, der skildrer den lynlåsende artefakt af CFA-demosering

Selv med en teoretisk perfekt sensor, der kunne fange og skelne alle farver på hver fotosite, kunne Moiré og andre artefakter dog stadig vises. Dette er en uundgåelig konsekvens af ethvert system, der prøver et ellers kontinuerligt signal med diskrete intervaller eller placeringer. Af denne grund indeholder de fleste fotografiske digitale sensorer noget, der kaldes et optisk lavpasfilter (OLPF) eller et anti-aliasing (AA) filter . Dette er typisk et tyndt lag direkte foran sensoren og fungerer ved effektivt at sløre potentielt problematiske detaljer, der er finere end sensorens opløsning.

Ændringer

Tre nye Kodak RGBW filtermønstre

Bayer-filteret er næsten universelt på digitale digitalkameraer. Alternativer inkluderer CYGM-filteret ( cyan , gul , grøn, magenta ) og RGBE-filteret (rød, grøn, blå, smaragd ), som kræver lignende demosaisering. Den Foveon X3 sensor (hvilke lag rød, grøn og blå sensorer vertikalt snarere end ved anvendelse af en mosaik) og arrangementer af tre separate CCD'er (en for hver farve) behøver ikke demosaicing.

"Panchromatic" celler

Den 14. juni 2007 annoncerede Eastman Kodak et alternativ til Bayer-filteret: et farvefiltermønster, der øger lysfølsomheden af ​​billedsensoren i et digitalt kamera ved hjælp af nogle "panchromatic" celler, der er følsomme over for alle synlige bølgelængder lys, og saml en større mængde lys, der rammer sensoren. De præsenterer flere mønstre, men ingen med en gentagende enhed så lille som Bayer-mønsterets 2 × 2-enhed.

Tidligere RGBW-filtermønster

En anden amerikansk patentansøgning fra 2007 af Edward T. Chang hævder en sensor, hvor "farvefilteret har et mønster, der omfatter 2 × 2 blokke af pixels sammensat af en rød, en blå, en grøn og en gennemsigtig pixel" i en konfiguration beregnet til for at inkludere infrarød følsomhed for højere samlet følsomhed. Kodak-patentansøgningen var tidligere.

Sådanne celler er tidligere blevet brugt i " CMYW " (cyan, magenta, gul og hvid) "RGBW" (rød, grøn, blå, hvid) sensorer, men Kodak har ikke sammenlignet det nye filtermønster med dem endnu.

Fujifilm "EXR" farvefilter array

EXR-sensor

Fujifilms EXR-farvefilterarray er produceret i både CCD ( SuperCCD ) og CMOS (BSI CMOS). Som med SuperCCD drejes selve filteret 45 grader. I modsætning til konventionelle Bayer-filterdesign er der altid to tilstødende fotosites, der registrerer den samme farve. Hovedårsagen til denne type array er at bidrage til pixel "binning", hvor to tilstødende fotosites kan flettes, hvilket gør sensoren selv mere "følsom" for lys. En anden grund er, at sensoren optager to forskellige eksponeringer, som derefter flettes for at producere et billede med større dynamisk rækkevidde. Det underliggende kredsløb har to udlæsningskanaler, der tager deres information fra alternative rækker af sensoren. Resultatet er, at det kan fungere som to sammenflettede sensorer med forskellige eksponeringstider for hver halvdel af fotosites. Halvdelen af ​​fotosiderne kan forsætligt undereksponeres, så de fuldt ud fanger de lysere områder af scenen. Denne bibeholdte højdepunktsinformation kan derefter blandes ind med output fra den anden halvdel af sensoren, der optager en 'fuld' eksponering, og igen benytter den tætte afstand på lignende farvede fotosites.

Fujifilm "X-Trans" filter

Det gentagne 6 × 6-gitter, der bruges i x-trans-sensoren

Fujifilm X-Trans CMOS-sensoren, der anvendes i mange Fujifilm X-serie kameraer, hævdes at give bedre modstandsdygtighed over for farve moiré end Bayer-filteret, og som sådan kan de fremstilles uden et anti-aliasing filter. Dette giver igen kameraer, der bruger sensoren, til at opnå en højere opløsning med det samme megapixelantal. Det hævdes også, at det nye design reducerer forekomsten af ​​falske farver ved at have røde, blå og grønne pixels i hver linje. Arrangementet af disse pixels siges også at give korn mere som film.

En af de vigtigste ulemper er, at støtte til brugerdefinerede mønster kan mangle fuld støtte i tredjeparts behandling software som Adobe Photoshop Lightroom , hvor tilføjer forbedringer tog flere år.

Quad Bayer

Sony introducerede Quad Bayer-farvefilterarray, som først blev vist i Huawei P20 Pro, der blev frigivet den 27. marts 2018. Quad Bayer ligner Bayer-filter, men tilstødende 2x2 pixels har samme farve, 4x4-mønsteret har 4x blå, 4x rød, og 8x grøn. For mørkere scener kan signalbehandling kombinere data fra hver 2x2-gruppe, stort set som en større pixel. For lysere scener kan signalbehandling konvertere Quad Bayer til et konventionelt Bayer-filter for at opnå højere opløsning. Pixelerne i Quad Bayer kan betjenes i langvarig integration og korttidsintegration for at opnå single shot HDR, hvilket reducerer blandingsproblemer. Quad Bayer er også kendt som Tetracell af Samsung og 4-celle af OmniVision .

Den 26. marts 2019 blev Huawei P30-serien annonceret med RYYB Quad Bayer med 4x4-mønster med 4x blå, 4x rød og 8x gul.

Nonacell

Den 12. februar 2020 blev Samsung Galaxy S20 Ultra annonceret med Nonacell CFA. Nonacell CFA svarer til Bayer-filter, men tilstødende 3x3 pixels har samme farve, 6x6-mønsteret har 9x blå, 9x rød og 18x grøn.

Se også

Referencer

Forside af Bryce Bayers patent fra 1976 på Bayer-mønsterfiltermosaikken, der viser hans terminologi med luminansfølsomme og krominansfølsomme elementer

Bemærkninger

eksterne links