Bayer-Filter

Ein Bayer-Filtermosaik ist ein Farbfilterarray (CFA) zum Anordnen von RGB-Farbfiltern auf einem quadratischen Gitter aus Photosensoren. Seine spezielle Anordnung von Farbfiltern wird in den meisten Einchip-Digitalbildsensoren verwendet, die in Digitalkameras, Camcordern und Scannern verwendet werden, um ein Farbbild zu erzeugen. Das Filtermuster ist 50% grün, 25% rot und 25% blau, daher wird es auch BGGR, RGBG, GRGB oder RGGB genannt.

Es ist benannt nach seinem Erfinder, Bryce Bayer von Eastman Kodak. Bayer ist auch für seine rekursiv definierte Matrix bekannt, die in der geordneten Rasterung verwendet wird.

Alternativen zum Bayer-Filter umfassen sowohl verschiedene Farb- und Anordnungsmodifikationen als auch völlig unterschiedliche Technologien, wie die Co-Site-Farbprobe, den Foveon X3-Sensor, die dichroitischen Spiegel oder ein transparentes Diffraktionsfilter-Array.

Erläuterung
Bryce Bayers Patent (U.S. Patent Nr. 3,971,065) im Jahr 1976 bezeichnete die grünen Photosensoren als luminanzempfindliche Elemente und die rot- und blaufarbenen als Chrominanz empfindlichen Elemente. Er verwendete doppelt so viele grüne Elemente wie rot oder blau, um die Physiologie des menschlichen Auges nachzuahmen. Die Luminanzwahrnehmung der menschlichen Netzhaut verwendet M- und L-Kegelzellen, die während des Tageslichts kombiniert werden, die für grünes Licht am empfindlichsten sind. Diese Elemente werden als Sensorelemente, Abtastelemente, Pixelsensoren oder einfach Pixel bezeichnet; Abtastwerte, die von ihnen nach der Interpolation erfasst werden, werden zu Bildpixeln. Zu der Zeit, als Bayer sein Patent anmeldete, schlug er auch vor, eine Cyan-Magenta-Gelb-Kombination zu verwenden, also eine andere Reihe entgegengesetzter Farben. Diese Anordnung war zu der Zeit unpraktisch, weil die notwendigen Farbstoffe nicht existierten, aber in einigen neuen Digitalkameras verwendet werden. Der große Vorteil der neuen CMY-Farbstoffe ist, dass sie eine verbesserte Lichtabsorptionscharakteristik aufweisen; das heißt, ihre Quanteneffizienz ist höher.

Die Rohleistung von Bayer-Filterkameras wird als Bayer-Musterbild bezeichnet. Da jedes Pixel gefiltert wird, um nur eine von drei Farben aufzuzeichnen, können die Daten von jedem Pixel nicht jeden einzelnen der Rot-, Grün- und Blauwerte vollständig spezifizieren. Um ein Vollfarbenbild zu erhalten, können verschiedene Demosaicing-Algorithmen verwendet werden, um einen Satz von vollständigen Rot-, Grün- und Blauwerten für jedes Pixel zu interpolieren. Diese Algorithmen verwenden die umgebenden Pixel der entsprechenden Farben, um die Werte für ein bestimmtes Pixel zu schätzen.

Verschiedene Algorithmen, die verschiedene Mengen an Rechenleistung erfordern, führen zu Endbildern unterschiedlicher Qualität. Dies kann in der Kamera erfolgen und ein JPEG- oder TIFF-Bild oder außerhalb der Kamera mit den Rohdaten direkt vom Sensor erzeugt werden.

Demosaicing
Demosaicing oder “Debayering” kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Einfache Methoden interpolieren den Farbwert der Pixel derselben Farbe in der Nachbarschaft. Zum Beispiel kann, sobald der Chip einem Bild ausgesetzt wurde, jedes Pixel gelesen werden. Ein Pixel mit einem grünen Filter liefert eine genaue Messung der grünen Komponente. Die roten und blauen Komponenten für dieses Pixel werden von den Nachbarn erhalten. Für ein grünes Pixel können zwei rote Nachbarn interpoliert werden, um den roten Wert zu erhalten, und auch zwei blaue Pixel können interpoliert werden, um den blauen Wert zu erhalten.

Dieser einfache Ansatz eignet sich gut für Bereiche mit konstanten Farben oder glatten Farbverläufen, kann jedoch Artefakte wie z. B. das Ausbluten von Farben in Bereichen verursachen, in denen sich abrupte Farb- oder Helligkeitsänderungen besonders an scharfen Kanten im Bild bemerkbar machen. Aus diesem Grund versuchen andere Demosaicing-Methoden, kontrastreiche Kanten zu identifizieren und nur entlang dieser Kanten zu interpolieren, aber nicht über diese hinweg.

Andere Algorithmen basieren auf der Annahme, dass die Farbe eines Bereichs in dem Bild selbst unter sich ändernden Lichtbedingungen relativ konstant ist, so dass die Farbkanäle stark miteinander korrelieren. Daher wird zunächst der grüne Kanal interpoliert, dann der rote und danach der blaue Kanal, so dass das Farbverhältnis Rot-Grün bzw. Blau-Grün konstant ist. Es gibt andere Methoden, die unterschiedliche Annahmen über den Bildinhalt treffen und von diesem Versuch ausgehen, die fehlenden Farbwerte zu berechnen.

Artefakte
Bilder mit kleinen Details nahe der Auflösungsgrenze des digitalen Sensors können ein Problem für den Demosaicing-Algorithmus darstellen und ein Ergebnis erzeugen, das nicht wie das Modell aussieht. Das häufigste Artefakt ist Moiré, das als sich wiederholende Muster, Farbartefakte oder Pixel in einem unwirklichen, labyrinthartigen Muster erscheinen kann

Falsches Farbartefakt
Ein häufiges und unglückliches Artefakt der CFA-Interpolation (Colour Filter Array) oder Demosaicing ist das, was bekannt ist und als falsche Färbung angesehen wird. Typischerweise manifestiert sich dieses Artefakt entlang von Kanten, wo abrupte oder unnatürliche Farbverschiebungen auftreten, die durch Fehlinterpretation statt entlang einer Kante auftreten. Es gibt verschiedene Verfahren, um diese falsche Färbung zu verhindern und zu entfernen. Bei der Demosaicing-Interpolation wird eine Interpolation des gleitenden Farbtonübergangs verwendet, um zu verhindern, dass sich falsche Farben im endgültigen Bild manifestieren. Es gibt jedoch andere Algorithmen, die falsche Farben nach dem Demosaicing entfernen können. Diese haben den Vorteil, dass falsche Farbartefakte aus dem Bild entfernt werden, während ein robusterer Demosaicing-Algorithmus zum Interpolieren der roten und blauen Farbebenen verwendet wird.

Reißverschluss Artefakt
Das Zippering-Artefakt ist ein weiterer Nebeneffekt von CFA-Demosaicing, der ebenfalls hauptsächlich entlang von Kanten auftritt und als Zipper-Effekt bekannt ist. Einfach ausgedrückt, ist das Zippering ein anderer Name für Kantenunschärfe, die in einem Ein / Aus-Muster entlang einer Kante auftritt. Dieser Effekt tritt auf, wenn der Demosaicing-Algorithmus Pixelwerte über eine Kante mittelt, insbesondere in den roten und blauen Ebenen, was zu seiner charakteristischen Unschärfe führt. Wie bereits erwähnt, sind die besten Verfahren, um diesen Effekt zu verhindern, die verschiedenen Algorithmen, die entlang statt Bildkanten interpolieren. Die Mustererkennungsinterpolation, die adaptive Farbflächeninterpolation und die richtungsgewichtete Interpolation versuchen alle, das Zippering durch Interpolation entlang der im Bild detektierten Kanten zu verhindern.

Aber selbst mit einem theoretisch perfekten Sensor, der alle Farben auf jeder Fotoseite erfassen und unterscheiden könnte, könnten Moiré und andere Artefakte immer noch auftreten. Dies ist eine unvermeidliche Konsequenz eines Systems, das ein ansonsten kontinuierliches Signal in diskreten Intervallen oder Orten abtastet. Aus diesem Grund enthalten die meisten fotografischen digitalen Sensoren ein optisches Tiefpassfilter (OLPF), auch als Anti-Aliasing (AA) -Filter bezeichnet. Dies ist in der Regel eine dünne Schicht direkt vor dem Sensor und bewirkt, dass potenziell problematische Details, die feiner sind als die Auflösung des Sensors, effektiv verwischt werden.

Änderungen
Der Bayer-Filter ist bei Digitalkameras für Verbraucher nahezu universell und unter anderen Kameras weit verbreitet. Alternativen umfassen:

CYGM-Filter (Cyan, Gelb, Grün, Magenta)
RGBE Filter (rot, grün, blau, Smaragd)
Foveon X3 Sensor (kein Mosaik)
Einige Mosaikfilter fügen ungefilterte Pixel für ein Viertel oder die Hälfte oder einen anderen Bruchteil der Sensorpixel hinzu. Ihre Formate können enthalten:

CMYW (Cyan, Magenta, Gelb und Weiß)
Ein Hauptnachteil für benutzerdefinierte Muster kann ein Mangel an vollständiger Unterstützung in der Rohverarbeitungssoftware von Drittanbietern sein.