Bayer Filter

Мозаика фильтра Bayer - это матрица цветовых фильтров (CFA) для расположения цветовых фильтров RGB на квадратной сетке фотосенсоров. Его особое расположение цветовых фильтров используется в большинстве одноцветных цифровых датчиков изображения, используемых в цифровых камерах, и в видеокамерах для создания цветного изображения. Образец фильтра наполовину зеленый, четверть красный и четверть синий, поэтому также называется BGGR , RGBG , ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Grbg , ^{[ 3 ]} или RGGB . ^{[ 4 ]}

Он назван в честь своего изобретателя Брайса Байера из Истмана Кодака . Байер также известен своей рекурсивно определенной матрицей, используемой в упорядоченном Dithering .

Альтернативы фильтру Bayer включают как различные модификации цветов и расположения, так и совершенно разные технологии, такие как отбор проб Color Co-Site , датчик Foveon X3 , дихроичные зеркала или прозрачный массив дифракционного фильтра. ^{[ 5 ]}

Объяснение

Bryce Bayer (патент США № 3971,065 Патент ^{[ 6 ]}) в 1976 году назвал зеленые фотосенсоры , чувствительные к яркости, чувствительные к ярким элементам и хроминанс-чувствительные элементы . Он использовал вдвое больше зеленых элементов, чем красные или синие, чтобы имитировать физиологию человеческого глаза . Восприятие яркости человеческой сетчатки использует конусные клетки M и L , объединенные во время дневного света, которые наиболее чувствительны к зеленому свету. Эти элементы называются элементами датчиков , чувствительности , пиксельных датчиков или просто пикселей ; Значения выборки, почувствующие ими после интерполяции, становятся пикселями изображения . В то время, когда Байер зарегистрировал свой патент, он также предложил использовать цин-магенту-желтую комбинацию, которая является еще одним набором противоположных цветов. Это расположение было нецелесообразным в то время, потому что необходимых красителей не существовали, но используется в некоторых новых цифровых камерах. Большим преимуществом новых красителей CMY является то, что они имеют улучшенную характеристику поглощения света; То есть их квантовая эффективность выше.

вывод Необработанный камер Bayer Filter называется изображением шаблона Bayer . Поскольку каждый пиксель фильтруется для записи только одного из трех цветов, данные из каждого пикселя не могут полностью указать каждое из красных, зеленых и синих значений самостоятельно. Чтобы получить полноцветное изображение, различные алгоритмы демонстрации могут использоваться для интерполяции набора полных значений красного, зеленого и синего цвета для каждого пикселя. Эти алгоритмы используют окружающие пиксели соответствующих цветов для оценки значений для конкретного пикселя.

Различные алгоритмы, требующие различных объемов вычислительной мощности, приводят к окончательным изображениям различного качества. Это можно сделать в камере, создавая изображение JPEG или TIFF , или вне камеры, используя необработанные данные непосредственно из датчика. Поскольку мощность обработки процессора камеры ограничена, многие фотографы предпочитают выполнять эти операции вручную на персональном компьютере. Чем дешевле камера, тем меньше возможностей влиять на эти функции. В профессиональных камерах функции коррекции изображений полностью отсутствуют, или их можно отключить. Запись в необработанном формате обеспечивает возможность вручную выбирать алгоритм демонстрации и управлять параметрами преобразования, которые используются не только в потребительской фотографии, но и в решении различных технических и фотометрических задач. ^{[ 7 ]}

Демонстрация

Демонстрация может быть выполнена по -разному. Простые методы интерполируют значение цвета пикселей того же цвета в окрестностях. Например, после того, как чип подвергся воздействию изображения, каждый пиксель можно прочитать. Пиксель с зеленым фильтром обеспечивает точное измерение зеленого компонента. Красные и синие компоненты для этого пикселя получены от соседей. Для зеленого пикселя можно интерполировать два красных соседи, чтобы дать красное значение, а также два синих пикселя могут быть интерполированы, чтобы дать синий значение.

Этот простой подход хорошо работает в областях с постоянным цветом или гладкими градиентами, но он может вызвать артефакты, такие как цветное кровотечение в областях, где существуют резкие изменения в цвете или яркости, особенно заметными по острым краям на изображении. Из-за этого другие методы демонстрации пытаются выявить высококонтрастные края и интерполировать только по этим краям, но не через них.

Другие алгоритмы основаны на предположении, что цвет площади на изображении относительно постоян даже в изменяющихся условиях освещения, так что цветные каналы сильно коррелируют друг с другом. Следовательно, зеленый канал сначала интерполируется, затем красный, а затем синий канал, так что цветовое соотношение красного цвета, соответствующее сине-зеленому, постоянны. Существуют и другие методы, которые делают различные предположения о содержании изображения и начиная с этой попытки вычислять пропущенные значения цвета.

Артефакты

Изображения с небольшими деталями, близкими к пределу разрешения цифрового датчика, могут быть проблемой для алгоритма демонстрации, что дает результат, который не похож на модель. Наиболее частым артефактом является Moiré , который может показаться повторяющимися узорами, цветными артефактами или пикселями, расположенными в нереалистичном лабиринте.

Ложный цвет артефакт

Общий и неудачный артефакт матрицы цветовых фильтров (CFA) или демонстрация - это то, что известно и рассматривается как ложная окраска. Как правило, этот артефакт проявляется вдоль краев, где резкие или неестественные сдвиги цвета происходят в результате неправильного разжигания, а не по краю. Существуют различные методы для предотвращения и удаления этой ложной окраски. Во время демонстрации используется интерполяция плавного оттенка, чтобы не допустить, чтобы ложные цвета проявлялись на последнем изображении. Тем не менее, есть и другие алгоритмы, которые могут удалять ложные цвета после демонстрации. Они имеют преимущество в удалении ложных артефактов раскраски из изображения при использовании более надежного алгоритма демонстрации для интерполяции красных и синих цветовых плоскостей.

Артефакт на молнии

Артефакт на молнии является еще одним побочным эффектом демонстрации CFA, который также происходит в основном по краям, известен как эффект молнии. Проще говоря, на молнии - это еще одно название для размытия края, которое происходит в шаблоне включения/выключения вдоль края. Этот эффект возникает, когда алгоритм демонстрации усредняет значения пикселей по краю, особенно в красных и синих плоскостях, что приводит к его характерному размытию. Как упоминалось ранее, лучшими методами предотвращения этого эффекта являются различные алгоритмы, которые интерполируют, а не по краям изображения. Интерполяция распознавания рисунков, адаптивная интерполяция плоскости цветов и направленная взвешенная интерполяция - все это пытаются предотвратить молнию путем интерполяции по краям, обнаруженным на изображении.

Тем не менее, даже с теоретически совершенным датчиком, который мог бы запечатлеть и различать все цвета на каждом фотоизите, Moiré и другие артефакты все еще могут появиться. Это неизбежное следствие любой системы, которая выставляет непрерывный сигнал в противном случае с дискретными интервалами или местоположениями. По этой причине большинство фотографических цифровых датчиков включают в себя нечто, называемое оптическим фильтром с низким проходом (OLPF) или фильтром с анти-алиасами (AA) . Обычно это тонкий слой непосредственно перед датчиком, и работает, эффективно размывая любые потенциально проблематичные детали, которые являются более тонкими, чем разрешение датчика.

Модификации

Фильтр Bayer почти универсален на цифровых камерах потребителей. Альтернативы включают фильтр CYGM ( голубой , желтый , зеленый, пурпурный ) и фильтр RGBE (красный, зеленый, синий, изумруд ), которые требуют аналогичной демонстрации. Датчик Foveon x3 (который наносит красный, зеленый и синий датчики вертикально, а не использует мозаику) и расположение трех отдельных CCD (по одному для каждого цвета) не нуждается в демонстрации.

Панхроматические клетки

14 июня 2007 года Eastman Kodak объявил об альтернативе фильтру Bayer: рисунок с цветовой точки зрения, который повышает чувствительность к свету датчика изображения в цифровой камере, используя некоторые панхроматические ячейки, которые чувствительны ко всем волнам видимого света и Соберите большее количество света, ударяя датчик. ^{[ 8 ]} Они представляют несколько шаблонов, но ни у кого нет повторяющегося блока, столь же маленького, как блок узора 2 × 2 байера.

Более ранняя картина фильтра RGBW

Еще одна патентная подача в 2007 году, от Эдварда Т. Чанга, претендует на датчик, в котором «цветовой фильтр имеет шаблон, содержащий 2 × 2 блоки пикселей, состоящих из одного красного, одного синего, одного зеленого и одного прозрачного пикселя», в намеренной конфигурации, намеченной включить инфракрасную чувствительность для более высокой общей чувствительности. ^{[ 9 ]} Патентная подача Kodak была ранее. ^{[ 10 ]}

Такие клетки ранее использовались в « CMYW » (голубой, пурпурный, желтый и белый) ^{[ 11 ]} "RGBW" (красный, зеленый, синий, белый) ^{[ 12 ]} Датчики, но Кодак еще не сравнил с ними новой картины фильтра.

Fujifilm "Exr"

Массив цветовых фильтров Fujifilm изготавливается как в CCD ( SuperCCD ), так и в CMO (BSI CMOS). Как и в случае с SuperCCD, сам фильтр вращается на 45 градусов. В отличие от обычных дизайнов фильтров Bayer, всегда есть два смежных фотоита, обнаруживающих один и тот же цвет. Основная причина этого типа массива состоит в том, чтобы внести свой вклад в Pixel «Binning», где можно объединить два соседних фотоизита, что делает сам датчик более «чувствительным» под светом. Другая причина для того, чтобы датчик записывал два разных воздействия, которые затем объединяются для создания изображения с большим динамическим диапазоном. В базовой схеме есть два канала для считывания, которые берут свою информацию из альтернативных рядов датчика. Результатом является то, что он может действовать как два чередованных датчика, с различным временем экспозиции для каждой половины фотографий. Половина фотографий может быть преднамеренно недоэкспонирована, чтобы они полностью захватили более яркие области сцены. Эта сохраняющаяся освещенная информация может быть затем смешана с выходом из другой половины датчика, который записывает «полную» экспозицию, снова используя ближний интервал аналогичных цветных фотографий.

Fujifilm "X-Trans" Фильтр

Повторяющаяся сетка 6 × 6, используемая в датчике X-Trans

Сенсор Fujifilm X-Trans CMOS, используемый во многих Fujifilm X-Series камерах ^{[ 13 ]} Чтобы обеспечить лучшую устойчивость к цвету муара, чем фильтр Bayer, и поэтому их можно сделать без элиационного фильтра. Это, в свою очередь, позволяет камерам с использованием датчика для достижения более высокого разрешения с тем же количеством мегапикселей. Кроме того, утверждается, что новый дизайн снижает частоту ложных цветов, имея красные, синие и зеленые пиксели в каждой линии. Говорят, что расположение этих пикселей обеспечивает зерно больше похоже на пленку.

Одним из основных недостатков для пользовательских шаблонов является то, что им может не хватать полной поддержки в стороннем программном обеспечении с сырой обработкой, как Adobe Photoshop Lightroom ^{[ 14 ]} где добавление улучшений заняло несколько лет. ^{[ 15 ]}

Quad Bayer

Sony представила массив цветовых фильтров Quad Bayer, который впервые показал в фронтальной камере iPhone 6 , выпущенной в 2014 году. Quad Bayer похож на фильтр Bayer, однако соседние пиксели 2x2 - тот же цвет, шаблон 4x4 оснащен 4X Blue, 4x Red,, Red,, Red, Red, Red, Red, Red,, Red, Red, 2x2 и 8x зеленый. ^{[ 16 ]} Для более темных сцен обработка сигнала может объединять данные из каждой группы 2x2, по сути, как более крупный пиксель. Для более ярких сцен обработка сигнала может преобразовать Quad Bayer в обычный фильтр Bayer для достижения более высокого разрешения. ^{[ 17 ]} Пиксели в Quad Bayer могут работать в давней интеграции и краткосрочной интеграции для достижения одноразового HDR, что снижает проблемы смешивания. ^{[ 18 ]} Quad Bayer также известен как Tetracell Samsung By , 4-ячел Omnivision , ^{[ 17 ]}^{[ 19 ]} и Quad CFA (QCFA) от Qualcomm . ^{[ 20 ]}

26 марта 2019 года была объявлена серия Huawei P30 с участием Ryyb Quad Bayer, с шаблоном 4x4 с 4x Blue, 4x Red и 8x желтый. ^{[ 21 ]}

Неацелл

12 февраля 2020 года была объявлена Samsung Galaxy S20 Ultra с участием CFA. Неаселл CFA похож на фильтр Bayer, однако прилегающие 3x3 пикселей - один и тот же цвет, шаблон 6x6 имеет 9x синий, 9 -красный и 18 -кратный зеленый. ^{[ 22 ]}

Смотрите также

Ссылки

Патент США 3971065 , Брайс Э. Байер, «Массив цветной визуализации», выпущен 1976-07-20 в Интернете

Примечания

^ Джефф Мазер (2008). «Добавление L* в RGBG» . Архивировано из оригинала 2011-07-13 . Получено 2011-02-18 .
^ dpreview.com (2000). «Sony объявляет о 3 новых цифровых камерах» . Архивировано из оригинала 2011-07-21.
^ Маргарет Браун (2004). Расширенная цифровая фотография . Медиа -публикация. ISBN 0-9581888-5-8 .
^ Томас Машке (2004). Технология цифровых камер: технология цифровых камер в теории и практике . Спрингер. ISBN 3-540-40243-8 Полем Архивировано из оригинала 2019-01-09 . Получено 2016-09-23 .
^ Ван, Пэн; Менон, Раджеш (29 октября 2015 г.). «Цветовая визуализация с сверхвысокой чувствительностью с помощью прозрачного дифракционного фильтра и вычислительной оптики» . Optica . 2 (11): 933. Bibcode : 2015optic ... 2..933W . doi : 10.1364/optica.2.000933 .
^ «Патент US3971065 - массив цветной визуализации - патенты Google» . Архивировано из оригинала 2013-08-11 . Получено 2013-04-23 .
^ Cheremkhin, PA, Lesnichii, VV & Petrov, NV (2014). «Использование спектральных характеристик камер DSLR с датчиками фильтра Bayer» . Журнал физики: серия конференций . 536 (1): 012021. BIBCODE : 2014JPHCS.536A2021C . doi : 10.1088/1742-6596/536/1/012021 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Джон Комптон и Джон Гамильтон (2007-06-14). «Массив цветных фильтров 2.0» . Тысяча ботаников: блог Kodak . Архивировано из оригинала 2007-07-20 . Получено 2011-02-25 .
^ «Патентная публикация США 20070145273« Инфракрасная цветная камера с высокой чувствительностью » » . Архивировано из оригинала 2017-02-22.
^ «Заявка на патент США 20070024879» Цвет обработки и панхроматические пиксели » . Архивировано с оригинала 2016-12-21.
^ LJ D'una; и др. (1989). «Цифровой видеосигнал постпроцессор для цветных датчиков изображения». 1989 Материалы IEEE Custom Integrated Circuits Conference . Тол. 1989. С. 24.2/1–24.2/4. doi : 10.1109/cicc.1989.56823 . S2CID 61954103 . Можно использовать различные узоры CFA, с различными расположениями красного, зеленого и синего (RGB) или голубого, пурпурного, желтого и белого (CMYW) цветов.
^ Sugiyama, Toshinobu, Заявление о патентах США 20050231618, аппарат, захватывающий изображение» « Архивированный 2017-02-22 на машине Wayback , подано 30 марта 2005 г.
^ «Фуджифильм X-Trans Датчик датчиков» . Архивировано с оригинала 2012-04-09 . Получено 2012-03-15 .
^ Диало, Амаду. «Проверка обработки датчика Adobe Fujifilm X-Trans» . dpreview.com . Архивировано с оригинала 21 октября 2016 года . Получено 20 октября 2016 года .
^ «Adobe улучшает обработку X-Trans в обновлении CC Lightroom: обещает больше» . Фотографический блог Томаса Фицджеральда. 17 июня 2015 года. Архивировано с оригинала 21 октября 2016 года . Получено 20 октября 2016 года .
^ «Sony выпускает укладку CMOS -датчик изображения для смартфонов с самыми высокими 48 эффективными мегапикселями в отрасли» . Sony Global - Sony Global штаб -квартира . Архивировано с оригинала 2019-09-05 . Получено 2019-08-16 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} «Как Tetracell поставляет кристально чистые фотографии днем и ночью | Samsung Semiconductor Global Global Websity» . www.samsung.com . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .
^ "IMX294CJK | Sony Semiconductor Solutions" . Sony Semiconductor Solutions Corporation . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .
^ «Выпуски продукта | Новости и события | Omnivision» . www.ovt.com . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .
^ США ожидают 20200280659 , «Конфигурации датчика камеры камеры с квадратным цветом»
^ «Часть 4: Необогаченный CFA, Фаза обнаружение автофокусировки (PDAF) | Techinsights» . techinsights.com . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .
^ «Bright HM1 от Samsung Bright HM1 предлагает более яркие изображения с ультра-высоким разрешением с неаколевой технологией, первостепенной в отрасли» . News.samsung.com . Архивировано из оригинала 2020-02-12 . Получено 2020-02-14 .

Внешние ссылки

RGB "Bayer" цвет и микролизы , кремниевая визуализация (проектирование, производство и маркетинг цифровых камер и решений обработки изображений)
Библиотека обработки изображений Elynx , большой набор исходного кода манипуляции с мозаикой Bayer Mosaic, лицензированный под GPL.
Эффективная, высококачественная демозаичная фильтрация байеров на графических процессорах
Глобальное компьютерное зрение
Обзор демозации цветовых фильтров Bayer Pattern (CFA) с новыми алгоритмами оценки качества
Цифровые датчики камеры

[1] Джефф Мазер (2008). «Добавление L* в RGBG» . Архивировано из оригинала 2011-07-13 . Получено 2011-02-18 .

[2] review.com (2000). «Sony объявляет о 3 новых цифровых камерах» . Архивировано из оригинала 2011-07-21.

[3] Маргарет Браун (2004). Расширенная цифровая фотография . Медиа -публикация. ISBN 0-9581888-5-8 .

[4] Томас Машке (2004). Технология цифровых камер: технология цифровых камер в теории и практике . Спрингер. ISBN 3-540-40243-8 Полем Архивировано из оригинала 2019-01-09 . Получено 2016-09-23 .

[5] Ван, Пэн; Менон, Раджеш (29 октября 2015 г.). «Цветовая визуализация с сверхвысокой чувствительностью с помощью прозрачного дифракционного фильтра и вычислительной оптики» . Optica . 2 (11): 933. Bibcode : 2015optic ... 2..933W . doi : 10.1364/optica.2.000933 .

[6] «Патент US3971065 - массив цветной визуализации - патенты Google» . Архивировано из оригинала 2013-08-11 . Получено 2013-04-23 .

[7] Cheremkhin, PA, Lesnichii, VV & Petrov, NV (2014). «Использование спектральных характеристик камер DSLR с датчиками фильтра Bayer» . Журнал физики: серия конференций . 536 (1): 012021. BIBCODE : 2014JPHCS.536A2021C . doi : 10.1088/1742-6596/536/1/012021 . {{cite journal}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[8] Джон Комптон и Джон Гамильтон (2007-06-14). «Массив цветных фильтров 2.0» . Тысяча ботаников: блог Kodak . Архивировано из оригинала 2007-07-20 . Получено 2011-02-25 .

[9] «Патентная публикация США 20070145273« Инфракрасная цветная камера с высокой чувствительностью » » . Архивировано из оригинала 2017-02-22.

[10] «Заявка на патент США 20070024879» Цвет обработки и панхроматические пиксели » . Архивировано с оригинала 2016-12-21.

[11] LJ D'una; и др. (1989). «Цифровой видеосигнал постпроцессор для цветных датчиков изображения». 1989 Материалы IEEE Custom Integrated Circuits Conference . Тол. 1989. С. 24.2/1–24.2/4. doi : 10.1109/cicc.1989.56823 . S2CID 61954103 . Можно использовать различные узоры CFA, с различными расположениями красного, зеленого и синего (RGB) или голубого, пурпурного, желтого и белого (CMYW) цветов.

[12] Sugiyama, Toshinobu, Заявление о патентах США 20050231618, аппарат, захватывающий изображение» « Архивированный 2017-02-22 на машине Wayback , подано 30 марта 2005 г.

[x-trans-13] «Фуджифильм X-Trans Датчик датчиков» . Архивировано с оригинала 2012-04-09 . Получено 2012-03-15 .

[14] Диало, Амаду. «Проверка обработки датчика Adobe Fujifilm X-Trans» . dpreview.com . Архивировано с оригинала 21 октября 2016 года . Получено 20 октября 2016 года .

[15] «Adobe улучшает обработку X-Trans в обновлении CC Lightroom: обещает больше» . Фотографический блог Томаса Фицджеральда. 17 июня 2015 года. Архивировано с оригинала 21 октября 2016 года . Получено 20 октября 2016 года .

[16] «Sony выпускает укладку CMOS -датчик изображения для смартфонов с самыми высокими 48 эффективными мегапикселями в отрасли» . Sony Global - Sony Global штаб -квартира . Архивировано с оригинала 2019-09-05 . Получено 2019-08-16 .

[:0-17] Jump up to: ^а ^{беременный} «Как Tetracell поставляет кристально чистые фотографии днем и ночью | Samsung Semiconductor Global Global Websity» . www.samsung.com . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .

[18] "IMX294CJK | Sony Semiconductor Solutions" . Sony Semiconductor Solutions Corporation . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .

[19] «Выпуски продукта | Новости и события | Omnivision» . www.ovt.com . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .

[20] США ожидают 20200280659 , «Конфигурации датчика камеры камеры с квадратным цветом»

[21] «Часть 4: Необогаченный CFA, Фаза обнаружение автофокусировки (PDAF) | Techinsights» . techinsights.com . Архивировано с оригинала 2019-08-16 . Получено 2019-08-16 .

[22] «Bright HM1 от Samsung Bright HM1 предлагает более яркие изображения с ультра-высоким разрешением с неаколевой технологией, первостепенной в отрасли» . News.samsung.com . Архивировано из оригинала 2020-02-12 . Получено 2020-02-14 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]