Un mosaico di filtri Bayer è un array di filtri colorati (CFA) per organizzare i filtri di colore RGB su una griglia quadrata di fotosensori. La sua particolare disposizione dei filtri colore viene utilizzata nella maggior parte dei sensori di immagini digitali a chip singolo utilizzati in fotocamere digitali, videocamere e scanner per creare un’immagine a colori. Il pattern del filtro è verde al 50%, rosso al 25% e blu al 25%, quindi viene anche chiamato BGGR, RGBG, GRGB o RGGB.

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

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

Spiegazione
Nel 1976, il brevetto di Bryce Bayer (brevetto USA n. 3.971.065) definiva gli elementi sensibili alla luminanza dei fotosensori verdi e quelli rossi e blu sensibili alla crominanza. Ha usato il doppio degli elementi verdi come il rosso o il blu per imitare la fisiologia dell’occhio umano. La percezione della luminanza della retina umana utilizza celle a coni M e L combinate, durante la visione diurna, che sono più sensibili alla luce verde. Questi elementi sono indicati come elementi sensore, sensori, sensori pixel o semplicemente pixel; i valori campione rilevati da essi, dopo l’interpolazione, diventano pixel dell’immagine. Al momento in cui Bayer ha registrato il suo brevetto, ha anche proposto di utilizzare una combinazione cyan-magenta-gialla, ovvero un altro insieme di colori opposti. Questa disposizione era poco pratica al momento perché i coloranti necessari non esistevano, ma sono usati 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 più alta.

L’output non elaborato delle telecamere con filtro Bayer viene indicato come immagine modello Bayer. Poiché ciascun pixel viene filtrato per registrare solo uno dei tre colori, i dati di ciascun pixel non possono specificare completamente ciascuno dei valori rosso, verde e blu. Per ottenere un’immagine a colori, è possibile utilizzare vari algoritmi di demosaicing per interpolare un insieme di valori rossi, verdi e blu completi per ciascun pixel. Questi algoritmi utilizzano i pixel circostanti dei colori corrispondenti per stimare i valori per un particolare pixel.

Algoritmi diversi che richiedono varie 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.

demosaicizzazione
Demosaicing o “debayering” possono essere eseguiti in diversi modi. I metodi semplici interpolano il valore del colore dei pixel dello stesso colore nel vicinato. 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 misura esatta del componente verde. Le componenti rosse e blu per questo pixel sono ottenute dai vicini. Per un pixel verde, due vicini rossi possono essere interpolati 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 colori costanti o sfumature uniformi, ma può causare artefatti quali il sanguinamento del colore in aree in cui vi sono bruschi cambiamenti di colore o luminosità, particolarmente evidenti lungo i bordi taglienti dell’immagine. Per questo motivo, altri metodi di demosaicizzazione cercano di identificare i bordi ad alto contrasto e solo interpolare 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 variabile, in modo che i canali di colore siano altamente correlati l’uno con l’altro. Pertanto, il canale verde viene prima interpolato quindi il rosso e successivamente il canale blu, in modo che il rapporto colore rosso-verde rispettivo blu-verde sia costante. Esistono altri metodi che fanno presupposti diversi sul contenuto dell’immagine e iniziano da questo tentativo di calcolare i valori di colore mancanti.

artefatti
Le immagini con dettagli su piccola scala vicino al limite di risoluzione del sensore digitale possono essere un problema all’algoritmo di demosaicizzazione, producendo un risultato che non assomiglia al modello. L’artefatto più frequente è Moiré, che può apparire come pattern ripetuti, artefatti di colore o pixel disposti in un modello di labirinto irrealistico

Falso artefatto di colori
Un artefatto comune e sfortunato di interpolazione o retrodiffusione di Color Filter Array (CFA) è ciò che è noto e visto come colorazione falsa. Tipicamente questo artefatto si manifesta lungo i bordi, dove i cambiamenti di colore bruschi o innaturali si verificano a causa di un’interpretazione errata, piuttosto che lungo, di un bordo. Esistono vari metodi per prevenire e rimuovere questa colorazione falsa. Durante la demosaicizzazione viene utilizzata l’interpolazione di transizione della tonalità uniforme per impedire che i falsi colori si manifestino nell’immagine finale. Tuttavia, ci sono altri algoritmi in grado di rimuovere i falsi colori dopo la demosaicizzazione. Questi hanno il vantaggio di rimuovere falsi artefatti da colorare dall’immagine mentre si utilizza un algoritmo di demosaicizzazione più robusto per interpolare i piani di colore rosso e blu.

Artefatto Zippering
L’artefatto zippante è un altro effetto collaterale della demosaicizzazione del CFA, che si verifica anche principalmente lungo i bordi, è noto come effetto cerniera. In parole povere, il lampo 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 media valori di pixel su un bordo, specialmente nei piani rosso e blu, con conseguente sfocatura caratteristica. Come accennato in precedenza, i migliori metodi per prevenire questo effetto sono i vari algoritmi che si interpolano lungo, piuttosto che attraverso i bordi dell’immagine. L’interpolazione di riconoscimento del disegno, l’interpolazione del piano del colore adattativo e l’interpolazione con direzione direzionale tentano tutti di impedire il lampo interpolando lungo i bordi rilevati nell’immagine.

Tuttavia, anche con un sensore teoricamente perfetto in grado di catturare e distinguere tutti i colori su ciascun 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 luoghi discreti. Per questo motivo, la maggior parte dei sensori digitali fotografici incorporano un filtro passa-basso ottico (OLPF), chiamato anche filtro anti-aliasing (AA). Questo è in genere uno strato sottile direttamente di fronte al sensore e funziona sfocando efficacemente tutti i dettagli potenzialmente problematici che sono più fini della risoluzione del sensore.

modifiche
Il filtro Bayer è quasi universale sulle fotocamere digitali consumer e diffuso tra le altre fotocamere. Le alternative includono:

Filtro CYGM (ciano, giallo, verde, magenta)
Filtro RGBE (rosso, verde, blu, smeraldo)
Sensore Foveon X3 (senza mosaico)
Alcuni filtri per mosaico aggiungono pixel non filtrati, per un quarto o mezzo o altra frazione dei pixel del sensore. I loro formati possono includere:

CMYW (ciano, magenta, giallo e bianco)
Uno dei principali svantaggi dei modelli personalizzati può essere la mancanza di supporto completo nel software di elaborazione di terze parti.