ベイヤーフィルター

ベイヤーフィルターモザイクは、フォトセンサーの正方形のグリッド上にRGBカラーフィルターを配置するためのカラーフィルターアレイ(CFA)です。そのカラーフィルタの特定の配置は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、およびスキャナで使用されるほとんどのシングルチップデジタルイメージセンサで使用され、カラー画像を作成します。フィルタパターンは、緑色50%、赤色25%、青色25%で、BGGR、RGBG、GRGB、またはRGGBとも呼ばれます。

これは、その発明者、イーストマンコダックのブライスバイヤーの名前を付けられています。 Bayerは、順序付けられたディザリングで使用される再帰的に定義された行列でも知られています。

ベイヤーフィルターに代わるものには、カラーコーディネートサンプリング、Foveon X3センサー、ダイクロイックミラー、または透明な回折フィルターアレイなど、さまざまな色の変更や配置、全く異なる技術の両方があります。

説明
1976年のBryce Bayerの特許(米国特許第3,971,065号)は、緑フォトセンサ輝度感知素子および赤/青感色素子をクロミナンス感知素子と呼んでいる。彼は、人間の目の生理を模倣するために、赤色または青色の2倍の緑色要素を使用しました。人間の網膜の輝度知覚は、緑色光に対して最も敏感である昼間視力の間に、MおよびLコーン細胞を組み合わせて使用​​する。これらの要素は、センサ要素、センサ、ピクセルセンサ、または単にピクセルと呼ばれ、補間後にそれらによって感知されたサンプル値は画像画素になる。バイエルが特許を登録した時点で、彼はまたシアン – マゼンタ – イエローの組み合わせを使用することを提案しました。それは反対の色の別のセットです。必要な染料が存在しなかったので、この取り決めは現時点では実用的ではありませんでしたが、いくつかの新しいデジタルカメラで使用されています。新しいCMY色素の大きな利点は、光吸収特性が改善されていることです。すなわち、その量子効率はより高い。

ベイヤーフィルターカメラの生の出力はベイヤーパターン画像と呼ばれます。各ピクセルは3つの色のうちの1つのみを記録するためにフィルタリングされるので、各ピクセルからのデータはそれ自身で赤、緑、青の各値を完全に指定することはできない。フルカラー画像を得るために、様々なデモザイクアルゴリズムを使用して、各ピクセルの完全な赤、緑、青の値のセットを補間することができる。これらのアルゴリズムは、対応する色の周囲のピクセルを利用して、特定のピクセルの値を推定する。

様々な量の計算能力を必要とする異なるアルゴリズムは、様々な品質の最終画像をもたらす。これはカメラ内で行うことができ、JPEGまたはTIFF画像を生成することも、センサーから直接生データを使用してカメラの外に出すこともできます。

デモザイク
デモザイクまたは「デバイアー」はさまざまな方法で実行できます。単純な方法は、近傍の同じ​​色のピクセルの色値を補間する。例えば、チップが画像に露光されると、各画素を読み取ることができる。緑色フィルタを有するピクセルは、緑色成分の正確な測定値を提供する。このピクセルの赤および青の成分は、近傍から得られる。緑色ピクセルの場合、2つの赤色近傍を補間して赤色値を得ることができ、2つの青色ピクセルを補間して青色値を得ることもできる。

この単純なアプローチは、一定の色または滑らかな勾配の領域ではうまくいくが、色や輝度の急激な変化が画像の鮮明なエッジに沿って特に目立つ領域では、色の出血などのアーチファクトを引き起こす可能性がある。このため、他のデモザイキング手法では、高コントラストのエッジを特定し、これらのエッジに沿ってのみ補間を試みますが、両端には補間しません。

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他のアルゴリズムは、画像内の領域の色が変化する光条件下であっても比較的一定であるという仮定に基づいているので、カラーチャネルは互いに高度に相関する。したがって、緑色チャネルは最初に赤色で補間され、その後青色チャネルで補間されるので、赤色 – 緑色、青色 – 緑色それぞれの色比は一定である。画像コンテンツについて異なる仮定を行い、欠落した色の値を計算する試みから始まる他の方法がある。

アーティファクト
デジタルセンサの解像度限界に近い小規模なディテールの画像は、デモザイクアルゴリズムにとって問題となり、モデルのようには見えない結果になります。最も頻繁に発生するアーティファクトはモアレです。モアレは反復パターン、色アーチファクト、または非現実的な迷路様のパターンで配置されたピクセルとして表示されることがあります

偽色アーティファクト
カラーフィルタアレイ(CFA)補間またはデモザイク処理の一般的で有害なアーチファクトは、知られており、偽色と見なされるものである。典型的には、このアーチファクトはエッジに沿って現れ、そこではエッジに沿ってではなくむしろ誤った補間の結果として急激なまたは不自然な色の変化が生じる。この偽着色を防止および除去するための様々な方法が存在する。デモザイク中に、滑らかな色相遷移補間が使用され、偽色が最終的な画像内で現れることを防ぎます。しかし、デモザイク処理後に偽色を除去できる他のアルゴリズムがあります。これらは、赤と青のカラープレーンを補間するためのより堅牢なデモザイキングアルゴリズムを使用しながら、イメージから誤ったカラーアーチファクトを除去するという利点があります。

ジッパーアーチファクト
ジッパーアーチファクトは、主にエッジに沿って発生するCFAデモザイキングの別の副作用であり、ジッパー効果として知られています。簡単に言えば、ジッパーは、エッジに沿ってオン/オフパターンで発生するエッジブラーリングの別の名前です。このエフェクトは、デモザイクアルゴリズムがエッジ、特に赤と青の面でピクセル値の平均をとり、その結果、その特徴的なぼかしが発生する場合に発生します。前に述べたように、この効果を防​​ぐ最良の方法は、画像のエッジを横切るのではなく、補間するさまざまなアルゴリズムです。パターン認識補間、適応色平面補間、方向重み付け補間はすべて、画像内で検出されたエッジに沿って補間することによってジッパー処理を防止しようとします。

しかし、理論的に完璧なセンサーであっても、各フォトサイトですべての色を取得して区別することができても、モアレなどのアーティファクトは引き続き表示されます。これは、離散的な間隔または位置で連続した信号をサンプリングするシステムの避けられない結果です。このため、ほとんどの写真デジタルセンサには、アンチエイリアス(AA)フィルタとも呼ばれる光学ローパスフィルタ(OLPF)が組み込まれています。これは通常、センサの直前の薄い層であり、センサの分解能よりも細かい潜在的に問題のある細部を効果的にぼかすことによって機能する。

変更
ベイヤーフィルターは、コンシューマー向けデジタルカメラではほとんど普遍的であり、他のカメラにも普及しています。代わりに含まれるもの:

CYGMフィルター(シアン、イエロー、グリーン、マゼンタ)
RGBEフィルター(赤、緑、青、エメラルド)
Foveon X3センサー(モザイクなし)
一部のモザイクフィルタは、フィルタピクセルの1/4または半分または他の部分のフィルタ処理されていないピクセルを追加します。それらのフォーマットには、

CMYW(シアン、マゼンタ、イエロー、ホワイト)
カスタムパターンの1つの主な欠点は、サードパーティ製の生の処理ソフトウェアで完全サポートが不足していることです。

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