Filtro Bayer

Um mosaico de filtro Bayer é um conjunto de filtros de cores (CFA) para organizar filtros de cores RGB em uma grade quadrada de fotossensores. O seu arranjo particular de filtros de cor é usado na maioria dos sensores de imagem digital de chip único usados ​​em câmeras digitais, filmadoras e scanners para criar uma imagem colorida. O padrão de filtro é 50% verde, 25% vermelho e 25% azul, portanto, também é chamado de BGGR, RGBG, GRGB ou RGGB.

É nomeado após seu inventor, Bryce Bayer de Eastman Kodak. A Bayer também é conhecida por sua matriz recursivamente definida usada em dithering ordenado.

As alternativas ao filtro Bayer incluem várias modificações de cores e arranjos e tecnologias completamente diferentes, como amostragem de co-local de cores, o sensor Foveon X3, os espelhos dicroicos ou uma matriz transparente de filtro difractivo.

Explicação
A patente de Bryce Bayer (Patente U.S. N ° 3 971 065) em 1976 chamou os elementos sensíveis à luminância dos fotossensores verdes e os elementos sensíveis à crominância vermelhos e azuis. Ele usou o dobro de elementos verdes como vermelho ou azul para imitar a fisiologia do olho humano. A percepção de luminância da retina humana usa células de cone M e L combinadas, durante a visão diurna, que são mais sensíveis à luz verde. Esses elementos são referidos como elementos sensores, sensels, sensores de pixel ou simplesmente pixels; Os valores de amostra detectados por eles, após a interpolação, tornam-se pixels de imagem. No momento em que a Bayer registrou sua patente, ele também propôs usar uma combinação cian-magenta-amarelo, que é outro conjunto de cores opostas. Este arranjo não era prático na época porque os corantes necessários não existiam, mas é usado em algumas câmeras digitais novas. A grande vantagem dos novos corantes CMY é que eles têm uma característica melhorada de absorção de luz; isto é, a sua eficiência quântica é maior.

A saída bruta das câmeras de filtro Bayer é referida como uma imagem padrão do Bayer. Uma vez que cada pixel é filtrado para gravar apenas uma das três cores, os dados de cada pixel não podem especificar completamente os valores de vermelho, verde e azul por conta própria. Para obter uma imagem a cores, vários algoritmos de demasagem podem ser usados ​​para interpolar um conjunto de valores vermelhos, verdes e azuis completos para cada pixel. Esses algoritmos usam os pixels envolventes das cores correspondentes para estimar os valores para um pixel particular.

Diferentes algoritmos que exigem várias quantidades de poder de computação resultam em imagens finais de qualidade variável. Isso pode ser feito na câmera, produzindo uma imagem JPEG ou TIFF ou fora da câmera usando os dados brutos diretamente do sensor.

Demosaicing
Demosaicing ou “debayering” podem ser realizados de diferentes maneiras. Os métodos simples interpõem o valor da cor dos pixels da mesma cor na vizinhança. Por exemplo, uma vez que o chip foi exposto a uma imagem, cada pixel pode ser lido. Um pixel com um filtro verde fornece uma medida exata do componente verde. Os componentes vermelho e azul para este pixel são obtidos dos vizinhos. Para um pixel verde, dois vizinhos vermelhos podem ser interpolados para produzir o valor vermelho, e dois pixels azuis podem ser interpolados para produzir o valor azul.

Esta abordagem simples funciona bem em áreas com cores constantes ou gradientes lisos, mas pode causar artefatos, como sangramento de cor em áreas onde há mudanças abruptas de cor ou brilho especialmente visíveis ao longo de bordas afiadas na imagem. Devido a isso, outros métodos de desmagnetização tentam identificar bordas de alto contraste e apenas interpõem ao longo dessas bordas, mas não em todos eles.

Outros algoritmos baseiam-se no pressuposto de que a cor de uma área na imagem é relativamente constante mesmo em condições de mudança de luz, de modo que os canais de cores estejam altamente correlacionados entre si. Portanto, o canal verde é interpolado primeiro, em seguida, o vermelho e depois o canal azul, de modo que a relação de cor vermelho-verde respectivo azul-verde seja constante. Existem outros métodos que fazem diferentes pressupostos sobre o conteúdo da imagem e começam a partir desta tentativa de calcular os valores de cor ausentes.

Artefatos
As imagens com detalhes em pequena escala perto do limite de resolução do sensor digital podem ser um problema para o algoritmo de demasagem, produzindo um resultado que não se parece com o modelo. O artefato mais freqüente é Moiré, que pode aparecer como padrões de repetição, artefatos de cor ou pixels dispostos em um padrão de labirinto não realista

Falso artefato de cor
Um artefato comum e infeliz da interpolação ou desmontagem do Array Filter Filter Array (CFA) é o que é conhecido e visto como coloração falsa. Normalmente, este artefato se manifesta ao longo das bordas, onde mudanças bruscas ou anormais na cor ocorrem como resultado de uma má interpolação, em vez de uma borda. Existem vários métodos para prevenir e remover esta falsa coloração. A interpolação de transição de tonalidade suave é utilizada durante o desmantelamento para impedir que as cores falsas se manifestem na imagem final. No entanto, existem outros algoritmos que podem remover cores falsas após o desmantelamento. Estes têm o benefício de remover artefatos falsos de coloração da imagem ao usar um algoritmo de demasagem mais robusto para interpolar os planos de cor vermelha e azul.

Artefato de zipper
O artefato com zíper é outro efeito colateral do desmassamento de CFA, que também ocorre principalmente ao longo das bordas, é conhecido como efeito de zíper. Simplificando, o zíper é outro nome para o desfoque da borda que ocorre em um padrão de ligar / desligar ao longo de uma borda. Esse efeito ocorre quando o algoritmo de demasagem mede os valores de pixels sobre uma borda, especialmente nos planos vermelho e azul, resultando em seu borrão característico. Como mencionado anteriormente, os melhores métodos para evitar esse efeito são os vários algoritmos que interpõem ao longo, ao invés de transversais a bordas. Interpolação de reconhecimento de padrões, interpolação de plano de cores adaptável e interpolação direcionalmente ponderada tentam evitar a zíper interpolando ao longo de bordas detectadas na imagem.

No entanto, mesmo com um sensor teoricamente perfeito que pode capturar e distinguir todas as cores em cada fotosite, Moiré e outros artefatos ainda podem aparecer. Esta é uma conseqüência inevitável de qualquer sistema que analise um sinal de outra forma contínuo em intervalos ou locais discretos. Por esse motivo, a maioria dos sensores digitais digitais incorpora um filtro passa-baixa óptico (OLPF), também chamado de filtro anti-aliasing (AA). Esta é tipicamente uma camada fina, diretamente na frente do sensor, e funciona de forma desfocada em qualquer detalhe potencialmente problemático que seja mais fino do que a resolução do sensor.

Modificações
O filtro Bayer é quase universal em câmeras digitais de consumo, e difundido entre outras câmeras. As alternativas incluem:

Filtro CYGM (ciano, amarelo, verde, magenta)
Filtro RGBE (vermelho, verde, azul, esmeralda)
Sensor Foveon X3 (sem mosaico)
Alguns filtros de mosaico adicionam pixels não filtrados, por um quarto ou meio ou outra fração dos pixels do sensor. Seus formatos podem incluir:

CMYW (ciano, magenta, amarelo e branco)
Uma desvantagem principal para padrões personalizados pode ser a falta de suporte total em software de processamento bruto de terceiros.