Filtro de Bayer

Un mosaico de filtro de Bayer es una matriz de filtros de color (CFA) para organizar filtros de color RGB en una cuadrícula cuadrada de fotosensores. Su particular disposición de filtros de color se utiliza en la mayoría de los sensores de imagen digital de un solo chip utilizados en cámaras digitales, videocámaras y escáneres para crear una imagen en color. El patrón de filtro es 50% verde, 25% rojo y 25% azul, por lo tanto, también se lo denomina BGGR, RGBG, GRGB o RGGB.

Lleva el nombre de su inventor, Bryce Bayer de Eastman Kodak. Bayer también es conocido por su matriz definida recursivamente utilizada en el tramado ordenado.

Las alternativas al filtro de Bayer incluyen varias modificaciones de colores y disposición y tecnologías completamente diferentes, como el muestreo de colores en el sitio, el sensor Foveon X3, los espejos dicroicos o un conjunto de filtros difractivos transparentes.

Explicación
La patente de Bryce Bayer (Patente de Estados Unidos Nº 3.971.065) en 1976 llamó a los fotosensibles verdes elementos sensibles a la luminancia y los elementos rojos y azules sensibles a la crominancia. Usó el doble de elementos verdes que el rojo o el azul para imitar la fisiología del ojo humano. La percepción de luminancia de la retina humana utiliza células de cono M y L combinadas, durante la visión diurna, que son más sensibles a la luz verde. Estos elementos se conocen como elementos sensores, sensels, sensores de píxeles o simplemente píxeles; los valores de muestra detectados por ellos, después de la interpolación, se convierten en píxeles de imagen. En el momento en que Bayer registró su patente, también propuso usar una combinación de cian-magenta-yellow, que es otro conjunto de colores opuestos. Esta disposición no era práctica en ese momento porque no existían los tintes necesarios, pero se usa en algunas cámaras digitales nuevas. La gran ventaja de los nuevos colorantes CMY es que tienen una característica de absorción de luz mejorada; es decir, su eficiencia cuántica es mayor.

La salida bruta de las cámaras con filtro de Bayer se conoce como imagen de patrón de Bayer. Dado que cada píxel se filtra para registrar solo uno de tres colores, los datos de cada píxel no pueden especificar por sí solo cada uno de los valores rojos, verdes y azules. Para obtener una imagen a todo color, se pueden usar varios algoritmos de determinación del contenido para interpolar un conjunto de valores completos de rojo, verde y azul para cada píxel. Estos algoritmos hacen uso de los píxeles circundantes de los colores correspondientes para estimar los valores para un píxel particular.

Diferentes algoritmos que requieren varias cantidades de potencia de cálculo dan como resultado imágenes finales de calidad variable. Esto se puede hacer en la cámara, produciendo una imagen JPEG o TIFF, o fuera de la cámara usando los datos brutos directamente del sensor.

Demosaicing
Demosaicing o «debayering» se puede realizar de diferentes maneras. Los métodos simples interpolan el valor del color de los píxeles del mismo color en el vecindario. Por ejemplo, una vez que el chip ha sido expuesto a una imagen, se puede leer cada píxel. Un píxel con un filtro verde proporciona una medición exacta del componente verde. Los componentes rojo y azul para este píxel se obtienen de los vecinos. Para un píxel verde, se pueden interpolar dos vecinos rojos para obtener el valor rojo, también se pueden interpolar dos píxeles azules para obtener el valor azul.

Este enfoque simple funciona bien en áreas con colores constantes o degradados suaves, pero puede causar artefactos como sangrado de color en áreas donde hay cambios abruptos de color o brillo especialmente notorios a lo largo de los bordes filosos de la imagen. Debido a esto, otros métodos de demostración intentan identificar los bordes de alto contraste y solo interpolan a lo largo de estos bordes, pero no a través de ellos.

Otros algoritmos se basan en la suposición de que el color de un área en la imagen es relativamente constante incluso bajo condiciones de luz cambiantes, de modo que los canales de color están altamente correlacionados entre sí. Por lo tanto, el canal verde se interpola al principio, luego el rojo y luego el canal azul, de modo que la relación de color rojo-verde respectivo azul-verde sea constante. Existen otros métodos que hacen suposiciones diferentes sobre el contenido de la imagen y a partir de este intento de calcular los valores de color faltantes.

Artefactos
Las imágenes con detalles a pequeña escala cerca del límite de resolución del sensor digital pueden ser un problema para el algoritmo de determinación de proporción, produciendo un resultado que no se parece al modelo. El artefacto más frecuente es Moiré, que puede aparecer como patrones repetitivos, artefactos de color o píxeles dispuestos en un patrón irrealista similar a un laberinto

Artefacto de color falso
Un artefacto común y desafortunado de la interpolación o eliminación de datos de Color Filter Array (CFA) es lo que se conoce y se ve como coloración falsa. Por lo general, este artefacto se manifiesta a lo largo de los bordes, donde ocurren cambios abruptos o no naturales en el color como resultado de una mala interpolación a través, en lugar de a lo largo de, un borde. Existen varios métodos para prevenir y eliminar esta coloración falsa. La interpolación de transición de tono suave se usa durante la creación de imágenes para evitar que los colores falsos se manifiesten en la imagen final. Sin embargo, hay otros algoritmos que pueden eliminar colores falsos después de la determinación del contenido. Éstos tienen el beneficio de eliminar los artefactos de coloración falsos de la imagen mientras se usa un algoritmo de determinación de la imagen más robusto para interpolar los planos de color rojo y azul.

Artefacto de cremallera
El artefacto que se cierra con cremallera es otro efecto secundario del desambrollo de CFA, que también se produce principalmente a lo largo de los bordes, y se conoce como efecto de cremallera. En pocas palabras, la cremallera es otro nombre para el desenfoque de bordes que se produce en un patrón de encendido / apagado a lo largo de un borde. Este efecto se produce cuando el algoritmo de determinación de proporción promedia los valores de píxeles sobre un borde, especialmente en los planos rojo y azul, lo que da como resultado su desenfoque característico. Como se mencionó anteriormente, los mejores métodos para prevenir este efecto son los diversos algoritmos que se interpolan a lo largo, más que a través de los bordes de la imagen. La interpolación de reconocimiento de patrones, la interpolación adaptativa del plano de color y la interpolación ponderada de manera direccional intentan evitar el efecto de cremallera interpolando a lo largo de los bordes detectados en la imagen.

Sin embargo, incluso con un sensor teóricamente perfecto que podría capturar y distinguir todos los colores en cada fotosíntesis, aún podría aparecer Moiré y otros artefactos. Esta es una consecuencia inevitable de cualquier sistema que muestree una señal de lo contrario continua en intervalos o ubicaciones discretos. Por esta razón, la mayoría de los sensores digitales fotográficos incorporan un filtro óptico de paso bajo (OLPF), también llamado filtro anti-aliasing (AA). Esto es típicamente una fina capa directamente en frente del sensor, y funciona borrando efectivamente cualquier detalle potencialmente problemático que sea más fino que la resolución del sensor.

Modificaciones
El filtro de Bayer es casi universal en las cámaras digitales de consumo y está muy extendido entre otras cámaras. Las alternativas incluyen:

Filtro CYGM (cian, amarillo, verde, magenta)
Filtro RGBE (rojo, verde, azul, esmeralda)
Sensor Foveon X3 (sin mosaico)
Algunos filtros de mosaico agregan píxeles no filtrados, por un cuarto o la mitad u otra fracción de los píxeles del sensor. Sus formatos pueden incluir:

CMYW (cian, magenta, amarillo y blanco)
Una desventaja principal de los patrones personalizados puede ser la falta de soporte completo en el software de procesamiento sin procesar de terceros.