Фильтр Байера

Мозаика фильтра Bayer представляет собой матрицу цветных фильтров (CFA) для размещения цветовых фильтров RGB на квадратной сетке фотодатчиков. Его особенное расположение цветных фильтров используется в большинстве одночиповых цифровых датчиков изображения, используемых в цифровых камерах, видеокамерах и сканерах для создания цветного изображения. Шаблон фильтра 50% зеленый, 25% красный и 25% синий, поэтому его также называют BGGR, RGBG, GRGB или RGGB.

Он назван в честь его изобретателя, Брайса Байера из Eastman Kodak. Байер также известен своей рекурсивно определенной матрицей, используемой в упорядоченном сглаживании.

Альтернативы фильтру Байера включают в себя как различные модификации цветов, так и компоновку, а также совершенно разные технологии, такие как выборка цветных соседей, датчик Foveon X3, дихроичные зеркала или прозрачная решетка дифракционного фильтра.

объяснение
Патент Брайза Байера (патент США № 3910165) в 1976 году называл зелеными светочувствительными элементами, чувствительными к яркости, и красными и синими элементами, чувствительными к цветности. Он использовал в два раза больше зеленых элементов, чем красный или синий, чтобы имитировать физиологию человеческого глаза. Восприятие яркости сетчатки человека использует клетки конуса M и L, объединенные во время дневного зрения, которые наиболее чувствительны к зеленому свету. Эти элементы называются сенсорными элементами, сенсорами, пиксельными датчиками или просто пикселями; значения образцов, полученные ими после интерполяции, становятся пикселями изображения. В то время, когда Байер зарегистрировал свой патент, он также предложил использовать желто-пурпурно-желтую комбинацию, то есть другой набор противоположных цветов. В то время эта схема была непрактичной, потому что необходимых красителей не было, но используется в некоторых новых цифровых камерах. Большим преимуществом новых красок CMY является то, что они имеют улучшенную характеристику поглощения света; то есть их квантовая эффективность выше.

Исходный выход камер Bayer-фильтра называется изображением модели Bayer. Поскольку каждый пиксель фильтруется для записи только одного из трех цветов, данные из каждого пикселя не могут полностью указать каждый из красных, зеленых и синих значений самостоятельно. Для получения полноцветного изображения различные алгоритмы демозаизации могут использоваться для интерполяции набора полных красных, зеленых и синих значений для каждого пикселя. Эти алгоритмы используют окружающие пиксели соответствующих цветов для оценки значений для конкретного пикселя.

Различные алгоритмы, требующие различной вычислительной мощности, приводят к конечным изображениям различного качества. Это можно сделать в камере, создавая изображение JPEG или TIFF или вне камеры, используя необработанные данные непосредственно с датчика.

демозаики
Демонстрация или «дебазация» могут выполняться по-разному. Простые методы интерполируют значение цвета пикселей одного цвета по соседству. Например, после того, как чип подвергся воздействию изображения, каждый пиксель может быть прочитан. Пиксель с зеленым фильтром обеспечивает точное измерение зеленого компонента. Красные и синие компоненты для этого пикселя получены от соседей. Для зеленого пикселя два красных соседства могут быть интерполированы для получения красного значения, а также два синих пикселя могут быть интерполированы, чтобы получить синее значение.

Этот простой подход хорошо работает в областях с постоянным цветным или плавным градиентом, но он может вызывать артефакты, такие как цветное кровотечение в областях, где происходят резкие изменения цвета или яркости, особенно заметные вдоль острых краев изображения. Из-за этого другие методы демозаизации пытаются идентифицировать высококонтрастные края и только интерполировать вдоль этих краев, но не через них.

Другие алгоритмы основаны на предположении, что цвет области изображения относительно постоянный даже при изменяющихся условиях освещения, так что цветовые каналы сильно коррелируют друг с другом. Следовательно, зеленый канал сначала интерполируется, затем красный, а затем синий, так что цветовое соотношение красно-зеленого цвета соответствует сине-зеленому постоянному. Существуют и другие методы, которые делают разные предположения относительно содержимого изображения и начиная с этой попытки подсчитать недостающие значения цвета.

Артефакты
Изображения с мелкомасштабными деталями, близкими к пределу разрешения цифрового датчика, могут быть проблемой для алгоритма демозаизации, создавая результат, который не похож на модель. Наиболее частым артефактом является Moiré, который может появляться как повторяющиеся узоры, цветовые артефакты или пиксели, расположенные в нереалистичном лабиринтном шаблоне

Ложный цветной артефакт
Общим и неудачным артефактом интерполяции или демозаизации Color Filter Array (CFA) является то, что известно и рассматривается как ложная раскраска. Как правило, этот артефакт проявляется вдоль краев, где резкие или неестественные изменения цвета происходят в результате неправильной интерпретации поперек, а не вдоль края. Существуют различные методы для предотвращения и устранения этой ложной окраски. В процессе демозаизации используется интерполяция с гладким оттенком, чтобы предотвратить появление ложных цветов в конечном изображении. Тем не менее, существуют другие алгоритмы, которые могут удалить ложные цвета после демонстрации. Они имеют преимущество при удалении ложных колористических артефактов из изображения при использовании более надежного алгоритма демозаизации для интерполяции красных и синих цветных плоскостей.

Артефакт молнии
Артефакт на молнии – это еще один побочный эффект демонализации CFA, который также встречается в основном по краям, известен как эффект молнии. Проще говоря, zippering – это еще одно название размытия краев, которое встречается в шаблоне включения / выключения вдоль края. Этот эффект возникает, когда алгоритм демозаизации усредняет значения пикселей по краю, особенно в красных и синих плоскостях, что приводит к его характерному размытию. Как упоминалось ранее, наилучшими методами предотвращения этого эффекта являются различные алгоритмы, которые интерполируются вдоль, а не через края изображения. Интерполяция распознавания образов, интерполяция адаптивной цветовой плоскости и направленная взвешенная интерполяция, все попытки предотвратить застегивание молнии путем интерполяции вдоль ребер, обнаруженных на изображении.

Однако даже с теоретически совершенным датчиком, который мог бы захватывать и различать все цвета на каждом фототете, Мори и другие артефакты все еще могли появляться. Это неизбежное следствие какой-либо системы, которая отображает непрерывный сигнал в противном случае на дискретных интервалах или местоположениях. По этой причине большинство фотографических цифровых датчиков включают оптический фильтр нижних частот (OLPF), также называемый фильтром сглаживания (AA). Обычно это тонкий слой непосредственно перед датчиком, и он эффективно размывает любые потенциально проблематичные детали, которые являются более тонкими, чем разрешение датчика.

изменения
Фильтр Bayer почти универсален на потребительских цифровых камерах и широко распространен среди других камер. Альтернативы включают:

Фильтр CYGM (голубой, желтый, зеленый, пурпурный)
Фильтр RGBE (красный, зеленый, синий, изумруд)
Датчик Foveon X3 (без мозаики)
Некоторые мозаичные фильтры добавляют нефильтрованные пиксели на четверть или половину или другую часть пикселей сенсора. Их форматы могут включать:

CMYW (голубой, пурпурный, желтый и белый)
Одним из основных недостатков пользовательских шаблонов может быть отсутствие полной поддержки в стороннем программном обеспечении для обработки необработанных данных.