Войти
Расположение цветных фильтров Байера на массиве пикселей датчика изображения 
Профиль / поперечное сечение датчика A Мозаика с фильтром Байера представляет собой массив цветовых фильтров (CFA) для расположения цветных фильтров RGB на квадратной сетке фотодатчиков. Особое расположение цветных фильтров используется в большинстве однокристальных цифровых датчиков изображения, используемых в цифровых камерах, видеокамерах и сканерах для создания цветного изображения. Шаблон фильтра состоит из 50% зеленого, 25% красного и 25% синего, поэтому он также называется 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 дизеринге.
. Альтернативы фильтру Байера включают в себя как различные модификации цветов и расположения, так и совершенно разные технологии, такие как выборка цветного совмещения, датчик Foveon X3, дихроичные зеркала или массив прозрачных дифракционных фильтров.
Патент Брайса Байера (патент США № 3971065) в 1976 году назвал зеленые светочувствительные элементы фотосенсоров и красный и синий - цветочувствительные элементы. Он использовал в два раза больше зеленых элементов, чем красных или синих, чтобы имитировать физиологию человеческого глаза. Восприятие яркости сетчатки человека использует комбинацию M и L колбочек при дневном зрении, которые наиболее чувствительны к зеленому свету. Эти элементы называются сенсорными элементами, сенсорами, пиксельными сенсорами или просто пикселями; значения отсчетов, воспринимаемые ими, после интерполяции становятся изображением пикселей. Когда Байер зарегистрировал свой патент, он также предложил использовать комбинацию голубой-пурпурный-желтый, то есть еще один набор противоположных цветов. Такое расположение было непрактичным в то время, потому что необходимых красителей не существовало, но они используются в некоторых новых цифровых камерах. Большим преимуществом новых красителей CMY является то, что они обладают улучшенными характеристиками поглощения света; то есть их квантовая эффективность выше.
необработанный выходной сигнал камер с фильтром Байера называется изображением шаблона Байера. Поскольку каждый пиксель фильтруется для записи только одного из трех цветов, данные от каждого пикселя не могут полностью определять каждое из значений красного, зеленого и синего цветов отдельно. Для получения полноцветного изображения можно использовать различные алгоритмы демозаики для интерполяции набора полных значений красного, зеленого и синего для каждого пикселя. Эти алгоритмы используют окружающие пиксели соответствующих цветов для оценки значений для конкретного пикселя.
Различные алгоритмы, требующие разной вычислительной мощности, приводят к получению конечных изображений разного качества. Это можно сделать в камере, создав изображение в формате JPEG или TIFF, или вне камеры, используя необработанные данные непосредственно с датчика.
Демозаика можно выполнять разными способами. Простые методы интерполируют значение цвета пикселей одного цвета в окрестности. Например, после того, как чип подвергся воздействию изображения, можно считать каждый пиксель. Пиксель с зеленым фильтром обеспечивает точное измерение зеленой составляющей. Красный и синий компоненты для этого пикселя получены от соседей. Для зеленого пикселя два красных соседа могут быть интерполированы для получения красного значения, также два синих пикселя могут быть интерполированы для получения синего значения.
Этот простой подход хорошо работает в областях с постоянным цветом или плавными градиентами, но он может вызывать артефакты, такие как растекание цвета, в областях, где есть резкие изменения цвета или яркости, особенно заметные по резким краям изображения. Из-за этого другие методы демозаики пытаются идентифицировать высококонтрастные края и интерполировать только по этим краям, но не по ним.
Другие алгоритмы основаны на предположении, что цвет области изображения является относительно постоянным даже при меняющихся условиях освещения, так что цветовые каналы сильно коррелированы друг с другом. Следовательно, сначала интерполируется зеленый канал, затем красный, а затем синий канал, так что соотношение цветов красный-зеленый относительно сине-зеленого остается постоянным. Существуют и другие методы, которые делают различные предположения о содержимом изображения и, начиная с этой попытки, вычисляют недостающие значения цвета.
Изображения с мелкомасштабными деталями, близкими к пределу разрешения цифрового датчика, могут быть проблемой для алгоритма демозаики, давая результат, не похожий на модель. Наиболее частым артефактом является Муар, который может проявляться в виде повторяющихся узоров, цветовых артефактов или пикселей, расположенных в виде нереалистичного лабиринтного узора.
Распространенный и неудачный артефакт интерполяции или демозаики массива цветных фильтров (CFA) - это то, что известно и рассматривается как ложное окрашивание. Обычно этот артефакт проявляется по краям, где резкие или неестественные изменения цвета происходят в результате неправильной интерпретации поперек, а не вдоль края. Существуют различные методы предотвращения и устранения этой ложной окраски. Плавная интерполяция перехода оттенков используется во время демозаики, чтобы предотвратить появление ложных цветов на конечном изображении. Однако есть и другие алгоритмы, которые могут удалить ложные цвета после демозаики. Их преимущество заключается в удалении ложных артефактов окраски из изображения при использовании более надежного алгоритма демозаики для интерполяции красной и синей цветовых плоскостей.
Три изображения, изображающие артефакт демозаики в ложных цветах. Артефакт застежки-молнии - еще один побочный эффект демозаики CFA, который также проявляется в основном по краям и известен как эффект застежки-молнии. Проще говоря, застежка-молния - это еще одно название размытия краев, которое происходит при включении / выключении рисунка по краю. Этот эффект возникает, когда алгоритм демозаики усредняет значения пикселей по краю, особенно в красной и синей плоскостях, что приводит к характерному размытию. Как упоминалось ранее, лучшими методами предотвращения этого эффекта являются различные алгоритмы, которые интерполируют вдоль, а не по краям изображения. Интерполяция распознавания образов, адаптивная интерполяция цветовой плоскости и интерполяция с направленным взвешиванием - все они пытаются предотвратить застревание молнии путем интерполяции по краям, обнаруженным в изображении.
Три изображения, изображающие застегивающийся артефакт демозаики CFA Однако даже с теоретически совершенным датчиком, который мог бы улавливать и различать все цвета на каждом фотосайте, муар и другие артефакты все равно могли появиться. Это неизбежное следствие любой системы, которая производит выборку непрерывного сигнала в дискретных интервалах или местах. По этой причине большинство фотографических цифровых сенсоров включают в себя так называемый оптический фильтр нижних частот (OLPF) или фильтр сглаживания (AA). Обычно это тонкий слой непосредственно перед датчиком, который эффективно размывает любые потенциально проблемные детали, разрешение которых меньше разрешения датчика.
Три новых шаблона фильтра Kodak RGBW Фильтр Байера почти универсален для бытовых цифровых фотоаппаратов. Альтернативы включают фильтр CYGM (голубой, желтый, зеленый, пурпурный ) и фильтр RGBE (красный, зеленый, синий, изумруд ), которые требуют аналогичного демозаики. Датчик Foveon X3 (который размещает красный, зеленый и синий датчики вертикально, а не использует мозаику) и расположение трех отдельных ПЗС (по одной для каждого цвета) не требуют демозаики..
14 июня 2007 года Eastman Kodak анонсировала альтернативу фильтру Байера: шаблон цветового фильтра, который увеличивает светочувствительность датчика изображения. в цифровой камере с помощью некоторых «панхроматических» ячеек, которые чувствительны ко всем длинам волн видимого света и собирают большее количество света, падающего на датчик. Они представляют несколько паттернов, но ни один из них не содержит повторяющегося элемента такого размера, как блок 2 × 2 в паттерне Байера.
Более ранний шаблон фильтра RGBW В другой патентной заявке США 2007 г., поданной Эдвардом Т. Чангом, заявлен датчик, в котором «цветовой фильтр имеет шаблон, состоящий из блоков пикселей 2 × 2, состоящих из одного красного, одного синего, одного зеленого. и один прозрачный пиксель "в конфигурации, предназначенной для включения инфракрасной чувствительности для более высокой общей чувствительности. Патент Kodak был подан ранее.
Такие ячейки ранее использовались в "" (голубом, пурпурном, желтом и белом) датчиках RGBW (красный, зеленый, синий, белый), но у Kodak нет сравнил с ними новый шаблон фильтра.
Датчик EXR Матрица цветных фильтров Fujifilm EXR производятся как на ПЗС (SuperCCD ), так и в КМОП (BSI CMOS). Как и в случае с SuperCCD, сам фильтр повернут на 45 градусов. В отличие от обычных фильтров Байера, всегда есть два соседних фотосайта, обнаруживающих один и тот же цвет. Основная причина этого типа массива заключается в том, чтобы способствовать «биннированию» пикселей, когда два соседних фотосайта могут быть объединены, что делает сам датчик более «чувствительным» к свету. Другая причина заключается в том, что датчик записывает две разные экспозиции, которые затем объединяются для получения изображения с большим динамическим диапазоном. Базовая схема имеет два канала считывания, которые берут информацию из чередующихся рядов датчика. В результате он может действовать как два чередующихся сенсора с разным временем выдержки для каждой половины фотосайтов. Половину фотосайтов можно намеренно недоэкспонировать, чтобы полностью захватить более светлые участки сцены. Эта сохраненная информация о яркости затем может быть смешана с выходным сигналом другой половины датчика, который регистрирует «полную» экспозицию, опять же с использованием близкого расстояния между фотографиями одинакового цвета.
Повторяющаяся сетка 6 × 6, используемая в датчике x-trans Датчик Fujifilm X-Trans CMOS, используемый во многих камерах Fujifilm серии X Утверждается, что они обеспечивают лучшую устойчивость к цветному муару, чем фильтр Байера, и поэтому они могут быть изготовлены без фильтра сглаживания. Это, в свою очередь, позволяет камерам, использующим датчик, достигать более высокого разрешения при том же количестве мегапикселей. Кроме того, заявлено, что новый дизайн снижает количество ложных цветов за счет наличия красных, синих и зеленых пикселей в каждой строке. Также говорят, что расположение этих пикселей обеспечивает зернистость , более похожую на пленку.
Одним из основных недостатков является то, что для поддержки пользовательского шаблона может отсутствовать полная поддержка в стороннем программном обеспечении для обработки raw, таком как Adobe Photoshop Lightroom, где на добавление улучшений ушло несколько лет.
Sony представила массив цветных фильтров Quad Bayer, который впервые появился в Huawei P20 Pro, выпущенном 27 марта 2018 года. Quad Bayer похож на фильтр Байера, однако соседние 2x2 пикселя имеют один и тот же цвет, шаблон 4x4 включает 4x синий, 4x красный и 8x зеленый. Для более темных сцен обработка сигнала может объединять данные из каждой группы 2x2, по сути, как более крупный пиксель. Для более ярких сцен обработка сигнала может преобразовать Quad Bayer в обычный фильтр Байера для достижения более высокого разрешения. Пиксели в Quad Bayer могут работать в режиме длительной интеграции и кратковременной интеграции для достижения одиночного кадра HDR, уменьшая проблемы наложения. Quad Bayer также известен как Tetracell от Samsung и 4-элементный от OmniVision.
26 марта 2019 года модели Huawei P30 series были анонсирован с участием RYYB Quad Bayer с рисунком 4x4, состоящим из 4 синего, 4 красного и 8 желтого.
12 февраля 2020 года Samsung Galaxy S20 Ultra был объявлен с участием Nonacell CFA. Nonacell CFA похож на фильтр Байера, однако соседние пиксели 3x3 имеют одинаковый цвет, узор 6x6 включает 9x синий, 9x красный и 18x зеленый.
Титульная страница патента Брайса Байера 1976 года на мозаику с фильтром Байера, показывающая его терминологию в отношении элементов, чувствительных к яркости и цветности 