拜尔滤镜

拜尔滤镜或拜耳滤色器(Bayer filter mosaic)是用于在光电传感器的正方形网格上布置RGB彩色滤光片的滤色片阵列(CFA)。大多数用于数码相机,摄像机和扫描仪的单芯片数字图像传感器都采用了其特殊的滤色器配置来创建彩色图像。滤镜图案为50%绿色,25%红色和25%蓝色,因此也称为BGGR,RGBG,GRGB或RGGB。

它的发明者是伊士曼柯达公司的Bryce Bayer。拜耳也以其在递归抖动中使用的递归定义矩阵而闻名。

拜耳过滤器的替代品包括颜色和排列的各种修改以及完全不同的技术,如颜色共站取样,Foveon X3传感器,二向色镜或透明衍射过滤器阵列。

说明
1976年Bryce Bayer的专利(美国专利号3,971,065)称为绿色光敏元件亮度敏感元件和红色和蓝色敏感元件。他使用了红色或蓝色两倍的绿色元素来模仿人眼的生理机能。人类视网膜的亮度感知使用M和L锥形细胞,在日光下对绿光最敏感。这些元素被称为传感器元素,传感器,像素传感器或简单的像素;它们在插值后检测到的采样值变成图像像素。在拜耳注册他的专利时,他还提出使用青色 – 品红 – 黄色组合,这是另一组相反的颜色。这种安排在当时是不切实际的,因为必要的染料不存在,但用于一些新的数码相机。新型CMY染料的最大优点是它们具有改善的光吸收特性;也就是说,它们的量子效率更高。

拜耳滤光镜相机的原始输出被称为拜耳模式图像。由于每个像素都被过滤以仅记录三种颜色中的一种,所以来自每个像素的数据本身不能完全指定每个红色,绿色和蓝色值。为了获得全色图像,可以使用各种去马赛克算法来为每个像素内插一组完整的红色,绿色和蓝色值。这些算法利用相应颜色的周围像素来估计特定像素的值。

需要不同数量计算能力的不同算法导致不同质量的最终图像。这可以在相机内完成,生成JPEG或TIFF图像,或使用直接来自传感器的原始数据在相机外进行。

去马赛克
去马赛克或“debayering”可以以不同的方式执行。简单的方法插值邻域中相同颜色的像素的颜色值。例如,一旦芯片暴露在图像中,就可以读取每个像素。带有绿色滤镜的像素提供了绿色组件的精确测量。这个像素的红色和蓝色分量是从邻居获得的。对于绿色像素,可以内插两个红色邻居以产生红色值,也可以内插两个蓝色像素以产生蓝色值。

这种简单的方法在颜色不变或平滑渐变的区域效果很好,但在颜色或亮度突然变化的区域尤其明显,沿着图像中的锐利边缘可能会引起伪像,如颜色渗色。正因为如此,其他的去马赛克方法试图识别高对比度的边缘,只沿着这些边缘进行插值,而不是穿过它们。

其他算法是基于以下假设:即使在光照条件变化时,图像中区域的颜色也是相对恒定的,因此颜色通道彼此高度相关。因此,首先对绿色通道进行插值,然后对红色和之后的蓝色通道进行插值,使得相应的蓝绿色的色度比率不变。还有其他方法对图像内容做出不同的假设,并从计算缺失颜色值的尝试开始。

文物
具有接近数字传感器分辨率极限的小尺寸细节的图像可能成为去马赛克算法的问题,产生看起来不像模型的结果。最常见的神器是莫尔,它可能表现为重复的图案,色彩伪影或像素,以不切实际的迷宫般的图案排列

假彩色伪影
彩色滤光片阵列(CFA)插值或去马赛克的一个常见和不幸的工件是已知的并被视为假着色。典型地,这个伪影沿着边缘显现,其中颜色的突然或不自然的移位是由于错误插入而不是沿着边缘而出现的。存在用于防止和去除这种假色彩的各种方法。在去马赛克过程中使用平滑的色调过渡插值,以防止在最终图像中出现错误的颜色。但是,还有其他算法可以在去马赛克后去除假色。这些有利于从图像中去除假色素伪影,同时使用更强大的去马赛克算法来插入红色和蓝色色彩平面。

拉链神器
拉链伪影是CFA去马赛克的另一个副作用,其也主要沿着边缘发生,被称为拉链效应。简而言之,拉链是沿着边缘的开/关模式发生边缘模糊的另一个名称。当去马赛克算法对边缘上的像素值进行平均,特别是在红色和蓝色平面中,导致其特征模糊时,会出现此效果。如前所述,防止这种影响的最佳方法是沿着内插的各种算法,而不是跨越图像边缘。模式识别插值,自适应彩色平面插值和方向加权插值都试图通过在图像中检测到的边缘进行插值来防止拉链。

然而,即使有理论上完美的传感器可以捕捉和区分每个照片上的所有颜色,莫尔和其他工件仍然可以出现。这是任何以不连续的间隔或位置对连续信号进行采样的系统的不可避免的后果。出于这个原因,大多数照相数字传感器包含一个光学低通滤波器(OLPF),也称为抗锯齿(AA)滤波器。这通常是传感器正前方的薄层,并且通过有效地模糊比传感器的分辨率更精细的任何潜在问题细节来工作。

修改
拜耳过滤器在消费类数码相机中几乎是普及的,并在其他相机中广泛使用。替代方案包括:

CYGM过滤器(青色,黄色,绿色,洋红色)
RGBE滤镜(红色,绿色,蓝色,祖母绿)
Foveon X3传感器(无马赛克)
一些马赛克滤镜添加未经过滤的像素,四分之一或一半或传感器像素的其他部分。其格式可能包括:

CMYW(青色,品红色,黄色和白色)
定制模式的一个主要缺点是缺乏对第三方原始处理软件的全面支持。