Čo je pole farebného filtra (CFA)? Pochopenie filtra Bayer

V našich predchádzajúcich článkoch sme diskutovaliAký je kamerový modulaAko sa vyvinuli moduly fotoaparátu. Dozvedeli sme sa, že snímač obrazu je kritickou súčasťou, zachytáva svetlo a premieňa ho na elektrické signály. Ale ako snímač fotoaparátu, ktorý v zásade meria iba intenzitu svetla, dokáže vidieť a zachytiť žiarivé farby sveta okolo nás? Odpoveď spočíva v rozhodujúcom komponente umiestnenom priamo cez pixely senzora: pole farebného filtra (CFA).

Aby sme pochopili úlohu CFA, musíme najprv pochopiť, ako funguje samotný snímač obrazu. V srdci obrazového senzora sú nespočetné množstvo drobných fotodiód, z ktorých každý zodpovedá pixelu. Keď fotóny (svetlé častice) padajú na fotodiódu, generuje sa elektrický náboj a množstvo náboja je úmerné počtu fotónov (tj intenzita alebo jas svetla).

Problém je v tom, že tieto fotodiódy nedokážu rozlišovať medzi rôznymi farbami svetla. Či už je to červené, zelené alebo modré svetlo, pokiaľ je jas rovnaký, množstvo generovaného náboja je rovnaké. To znamená, že ak použijeme snímač obrazu priamo bez spracovania, môžeme získať iba čiernobiely obraz alebo šedý obrázok, rovnako ako starý fotografia, bez zachytenia informácií o farbách. Aby mohol digitálny fotoaparát vidieť farbu, potrebujeme spôsob, ako povedať každému pixelu, aké farebné svetlo vidí.

To je miesto, kde prichádza farebný filter Filter (CFA). CFA je mozaika drobných farebných filtrov, ktoré sú presne umiestnené na každom pixele snímača obrazu. Predstavte si, že pred každým pixelom umiestnite malý kúsok farebného skla. Tieto filtre sú zvyčajne červené (R), zelené (G) a modré (B), čo zodpovedá trom primárnym farbám, ktoré ľudské oko vníma farbu.

Hlavnou funkciou CFA je obmedzenie farby svetla dosahujúceho každý pixel. Napríklad pixel pokrytý červeným filtrom môže prijímať a zmerať iba intenzitu červeného svetla, pixel pokrytý zeleným filtrom môže merať iba intenzitu zeleného svetla a to isté platí pre modrú. Týmto spôsobom, hoci jeden pixel môže stále vnímať iba jas špecifickej farby svetla, rôzne pixely na celom poli pixelov zaznamená informácie o intenzite svetla rôznych farieb (červená, zelená a modrá). Toto je prvý krok na dosiahnutie vnímania farieb v digitálnom zobrazovaní.

Medzi rôznymi návrhmi CFA je Bayer Color Filter Array, vynájdené a patentované Bryce Bayerom v Eastman Kodak v roku 1976, zďaleka najčastejšie používané. Takmer všetky snímače fotoaparátov v spotrebiteľských digitálnych fotoaparátoch a smartfónoch používajú vzor Bayer.

Bayer Filter sa vyznačuje svojím špeciálnym vzorom usporiadania: ide o opakujúce sa pole buniek 2x2. V tejto bunke je červený filter, modrý filter a dva zelené filtre. Keď sa táto bunka 2x2 opakuje cez celý senzor, zistíte, že na senzore je asi dvakrát toľko zelených pixelov ako červené alebo modré pixely.

Prečo je viac zelených pixelov? Dôvodom je, že ľudské oko je najcitlivejšie na zelené svetlo a zelené svetlo vo všeobecnosti obsahuje najkrajšie informácie o jasu. Zvyšovanie zelených pixelov pomáha presnejšie zachytiť detaily jasu obrázka, čo je veľmi dôležité pre zlepšenie konečnej kvality obrazu (najmä prehľadnosť a pomer signálu k šumu).

V Bayerovom režime obsahuje každý pixel vo výstupe nespracovaných údajov (zvyčajne nazývaných prvotné údaje) pomocou senzora iba jednu farbu informácií o troch základných farbách: červená, zelená a modrá. Napríklad pixel zaznamenáva intenzitu červeného svetla, ktoré dostáva, zatiaľ čo informácie o zelenej a modrej farbe chýbajú.

Bayer filter pattern

Hlavným dôvodom, prečo je Bayer Filter taký populárny, je to, že poskytuje dobrú rovnováhu pri dosahovaní zobrazovania farieb:

Jednoduché a efektívne:Filtre Bayer sú relatívne jednoduché v štruktúre a ľahko sa vyrábajú v porovnaní s riešeniami, ktoré si vyžadujú zložitejšie optické návrhy.
Nákladovo efektívne:Je to nákladovo efektívny spôsob, ako dosiahnuť zobrazovanie farieb.
Priestorová a farebná rovnováha:Zachytáva dostatočné informácie o farbe (cez červenú, zelenú a modrú) a zároveň maximalizuje priestorové rozlíšenie (ostrosť), pretože každý pixel prispieva aspoň jednou farebnou informáciou.

Ako už bolo spomenuté, CFA spôsobuje, že senzor na výstupe prvotných údajov na výstupe iba jednou farbou informácií na pixel. Toto nie je farebný obrázok, ktorý na konci vidíme. Aby sa získal kompletný farebný obrázok, musí sa vykonať dôležitý krok po spracovaní, ktorý sa nazýva demosaikácia alebo vycvičenie.

De-Mosaicing je komplexný výpočtový proces, ktorý sa zvyčajne vykonáva procesorom obrazového signálu (ISP). Algoritmus demosaikácie odhaduje dve chýbajúce farebné komponenty každého pixelu analýzou farieb hodnôt každého pixelu a jeho okolitých susedov. Napríklad zelené a modré hodnoty červeného pixelu sú „uhádnuté“ pri pohľade na hodnoty zelených a modrých pixelov vedľa neho.

Kľúčom k vytvoreniu jasného, farebne presného obrazu je kvalitný demosaikujúci algoritmus. Zlý algoritmus môže mať za následok zubaté okraje, nesprávne farby (falošné farby) alebo stratu detailov. Ako sa vyvíja technológia, demosaikácie algoritmov sa stávajú pokročilejšími a schopné presnejšie rekonštruovať obrazové detaily a farby.

how a pixel gets its missing color values from neighbors8

Zatiaľ čo Bayer Filtre sú najbežnejšími, inžinieri vyvinuli ďalšie typy vzorov CFA, aby sa pokúsili robiť lepšie v určitých konkrétnych oblastiach, ako je výkon s nízkym osvetlením, presnosť farieb alebo pre konkrétne aplikácie. Napríklad:

Cygm Filter:Používa filtre na azúrové, žlté, zelené a purpurové filtre, ktoré sa niekedy používajú v určitých zobrazovacích systémoch.
Filter RGBW:Pridáva biele (alebo priehľadné) pixely do filtra RGB. Biele pixely zachytávajú všetky farby svetla, aby mohli zachytiť viac svetla, čo pomáha zlepšovať výkon senzora v prostredí s nízkym svetlom, ale vyžaduje zložitejšie demosaikácie algoritmov, aby sa zabránilo skresleniu farieb.

Bayerova filter však stále dominuje drvivej väčšine senzorov spotrebiteľov a priemyselných kamier kvôli svojej zrelej technológii, dobrej rovnováhe výkonnosti a širokej podpory.

Poľa farebného filtra (CFA) je zdanlivo jednoduchá, ale kľúčová súčasť modernej technológie digitálneho zobrazovania. Vyrieši základný problém, že snímače obrazu nemôžu priamo vnímať farbu. Umiestnením farebného filtra nad každý pixel môže senzor zachytiť informácie o intenzite rôznych farieb svetla. Medzi nimi sa Bayer Filter stal priemyselným štandardom pre svoj efektívny a vyvážený dizajn.

Malo by sa zdôrazniť, že CFA je iba prvým krokom pri získavaní farebných informácií. Výstup prvotných údajov pomocou senzora musí podstúpiť komplexný proces demosaikácie, aby sa nakoniec vygenerovalo farebné digitálne obrázky, ktoré vidíme. CFA úzko spolupracuje s demosaikáciou algoritmu, ktorý tvorí základný kameň digitálnych fotoaparátov zachytávajúcich farbu. Pochopenie pracovného princípu CFA nám pomôže hlbšie porozumieť tomu, ako sa vytvárajú digitálne obrazy.

1.Do všetky senzory, ktoré zachytávajú farebné obrázky, používajú CFA?

A.Áno, pre tradičné, farebné snímače farebných obrazov založených na fotodióde, je pole farebného filtra (CFA) štandardnou metódou na dosiahnutie vnímania farieb. Samotný senzor môže merať iba intenzitu svetla a CFA zaisťuje, že každý pixel môže zaznamenať intenzitu svetla špecifickej farby, čo predstavuje základ pre následnú rekonštrukciu farieb. Niektoré špeciálne senzory (napríklad senzor Foveon X3) používajú metódu naskladanej vrstvy na rozlíšenie farieb bez použitia CFA, ale táto technológia je relatívne neobvyklá. Čiernobiele (monochromatické) senzory nevyžadujú CFA vôbec.

2. Demonštrujte demosaikáciu rozlíšenia obrazu?

A.Do istej miery je demosaikácia procesom vyplnenia chýbajúcich informácií o farbách prostredníctvom interpolácie (odhad). Pretože farebné informácie o každom pixele nie sú priamo merané, ale „odhadované“ na základe okolitých pixelov, môže to skutočne ovplyvniť pôvodné detaily a jasnosť obrazu, najmä vo veľmi jemných alebo opakujúcich sa oblastiach textúry. Moderné pokročilé demosaikingové algoritmy sú však už veľmi zložité a efektívne. Používajú rôzne zložité metódy výpočtu na zachovanie pôvodného rozlíšenia a detailov obrazu v najväčšej miere pri rekonštrukcii farby a znižovaní tvorby artefaktov.

3. Budúce obrazové senzory sa bez spoliehajú na CFA?

A.Toto je jeden smer výskumu snímača obrazu. Niektoré nové alebo experimentálne senzorové technológie skúmajú spôsoby, ako dosiahnuť farebné zobrazovanie bez toho, aby sa spoliehali na tradičnú CFA, ako napríklad technológiu viacvrstvových senzorov uvedených vyššie, alebo používanie nanotechnológie na rozlíšenie rôznych farieb svetla na úrovni pixelov. Avšak vzhľadom na zrelosť, nákladovú výhodu a dobrý celkový výkon technológie CFA Bayer Filter zostane pre väčšinu bežným farebným zobrazovacím riešenímmoduly fotoaparátuv dohľadnej budúcnosti. Nové technológie môžu najprv nájsť oporu v konkrétnych špičkových alebo profesionálnych aplikáciách.

Pošlite nám svoje požiadavky na moduly fotoaparátu a my vám prispôsobíme najlepšie riešenie. S našimi prémiovými riešeniami môžete vylepšiť svoje produkty, zapojiť svojich zákazníkov a otvoriť nové príležitosti pre rast a úspech aplikácií vstavaného videnia.

Pošlite dotaz teraz