Bayer-sensor

En Bayer-matris

En Bayer-sensor är en fotosensor som - liknar ett schackbräde - är täckt med ett färgfilter , som vanligtvis består av 50% grönt och 25% vardera av rött och blått. Grön är privilegierad när det gäller arealallokering (och därmed i upplösning), eftersom grön (eller den gröna komponenten i gråtoner) ger det största bidraget till uppfattningen av ljusstyrka i det mänskliga ögat och därmed också till uppfattningen av kontrast och skärpa : 72% av ljusstyrkan - och kontrastuppfattningen av gråtoner orsakas av deras gröna komponent, å andra sidan gör rött bara 21% och blått bara 7%. Dessutom är grön, som mittfärgen i färgspektrumet, den för linserna i. d. Levererar vanligtvis högsta bildprestanda (skärpa, upplösning).

Nästan alla vanliga bildsensorer i digitala foto- och filmkameror fungerar enligt detta koncept för Bayer-matrisen (engelska Bayer-mönster ) . Konceptet för denna typ av sensor står i kontrast till konceptet för Foveon X3 direktbildsensorer . Jämför även Super-CCD-sensor .

"Bayer-matrisen" eller "Bayer-filtret" är uppkallat efter dess uppfinnare Bryce Bayer namngav den 5 mars 1975, patentet på uppdrag av Eastman Kodak Company i USA inlämnat ( patent US3971065 : Color imaging array. ).

Funktion och struktur

Bildsensor (CCD) från en digitalkamera med ett färgfilter applicerat på chipet

De ljuskänsliga cellerna i en enda fotocell på halvledaren kan bara registrera ljusstyrka . För att få färginformation appliceras ett litet färgfilter i en av de tre grundfärgerna rött, grönt eller blått framför varje enskild cell . Filtren appliceras till exempel i udda rader i den grönröda sekvensen och i de jämna raderna i den blågröna sekvensen. Varje färgpunkt ( pixel ) tillhandahåller följaktligen endast information för en enda färgkomponent vid denna punkt, så att för en komplett bild med samma dimensioner måste respektive närliggande pixlar av samma färg användas för färginterpolering. För grönt beräknas 50% av pixlarna, för blått och rött är det 75% av området (eller 50% på en rad och 100% av raden i nästa rad) som måste fyllas genom beräkning. Med färginterpolering antas det att det endast finns små färgskillnader mellan två angränsande pixlar av samma färg i bilden, och att pixlarnas gråvärden därför inte är stokastiskt oberoende av varandra. Naturligtvis behöver detta inte gälla alla motiv. Strikt taget har Bayer-sensorn bara en fjärdedel av den uppenbara upplösningen när man tittar på en artefaktfri bild.

Sådana sensorer har också nästan alltid andra pixlar som är placerade vid kanten av sensorytan och är vanligtvis svarta för att kunna bestämma sensorns temperaturberoende bakgrundsbrus under drift under exponering och för att kunna ta hänsyn till beräkningsmässigt. B. att beräkna ett kompensationsvärde ("offset") för utvärderingen av de andra pixlarna. Dessutom kan dessa pixlar också användas t.ex. B. för att upptäcka extrem överexponering, till exempel på grund av för lång integrationstid (= exponeringstid) för sensorelementen. För den vanliga kamerananvändaren har de dock ingen betydelse, eftersom kalibreringsprocessen körs automatiskt och, beroende på modell, redan kan implementeras direkt på sensorn.

interpolation

Den nämnda interpolationen (engelsk demosaicing ) kan utföras på olika sätt. Enkla metoder interpolerar färgvärdet från pixlarna med samma färg i området. Eftersom detta förfarande är särskilt problematiskt vinkelrätt mot kanterna, försöker andra metoder att utföra interpoleringen längs kanterna snarare än vinkelrätt mot dem. Ytterligare andra algoritmer baseras på antagandet att färgtonen i ett område i bilden är relativt konstant även med förändrade ljusförhållanden, vilket innebär att färgkanalerna sedan korrelerar starkt med varandra. Den gröna kanalen interpoleras därför först och sedan interpoleras de röda och blå kanalerna på ett sådant sätt att respektive färgförhållande rödgrön och blågrön är konstant. Det finns andra metoder som gör andra antaganden om bildinnehållet och, baserat på dessa, försöker beräkna de saknade färgvärdena. Med 5 × 5 matrisfilter, t.ex. B. skapar en utjämnad bild som sedan skärps igen.

Problem (bildfel, ofta kallade interpolationsartefakter) kan uppstå om antagandena från algoritmen bryts i en specifik inspelning. Till exempel gäller det ovan nämnda antagandet, som används av många algoritmer på högre nivå, att färgplanen korrelerar inte längre om färgplanen i kantområdena flyttas från varandra på grund av kromatiska avvikelser från kommersiellt tillgängliga linser.

Ett annat problem är randmönster med en randbredd som motsvarar ungefär den för en enda pixel, till exempel ett staket på lämpligt avstånd. Eftersom ett Bayer-rått bildmönster genererat av ett sådant motiv kunde ha genererats av både horisontella och vertikala staket (i olika färger), måste algoritmen fatta ett beslut om det är en horisontell eller en vertikal struktur och vilken färg kombinationer som hur troliga bör bedömas. Eftersom algoritmen inte har mänsklig motiv världskunskap tas slumpmässiga beslut ofta och därmed felaktiga beslut. Till exempel kan ett sådant staket stängas då felaktigt som en slumpmässig blandning av horisontella och vertikala sektioner, vilket liknar en labyrint .

Med tanke på z. B. ett motivavsnitt, inom vilket alla röda pixlar lyser och de gröna endast de i de röda kolumnerna. Följande motiv skulle matcha denna illustration:

  • ett vertikalt staket med vita betor mot en svart bakgrund
  • ett vertikalt staketstaket med gula betor mot en svart bakgrund
  • ett vertikalt staket med vita betor mot en röd bakgrund
  • ett vertikalt staket med gula betar mot en röd bakgrund
  • ett horisontellt staket med röda betar mot en grön bakgrund
  • ett horisontellt staket med röda betar mot en gul bakgrund
  • ett horisontellt staket med purpurpinnar mot en grön bakgrund
  • ett horisontellt staket med purpurpinnar mot en gul bakgrund
  • liksom alla tänkbara staket eller rutmotiv som är en blandning av ovanstående alternativ.

I detta enkla teoretiska exempel kan en algoritm t.ex. B. föredrar varianten med den lägsta övergripande färgen och antar således vertikala vita lameller mot en svart bakgrund. I praktiken matchar dock strukturinriktningarna knappast Bayer-rutnätet exakt, så att med ett sådant staketmotiv finns det inget svartvitt alternativ att välja mellan, men flera alternativ med liknande färgplausibilitet tävlar om preferens, och det kommer till slumpmässigt beslut.

Dessa problem mildras emellertid desto mer när upplösningen hos moderna sensorer når eller till och med överstiger linsernas upplösning, särskilt med zoomobjektiv eller linser i det lägre prisklassen. Eftersom upplösningsgränsen för linser (i motsats till sensorer) inte är fast utan snarare definierad som en kontrastgräns, betyder detta att detaljerade motivavsnitt med hög tendens till artefakter endast kan reproduceras på sensorn av sådana linser med en mycket låg kontrast. Interpolationsartefakter av sådana motivdetaljer har också en mycket låg kontrast och är mindre störande.

Bearbetningsexempel

Ett exempel på en Bayer-bildrekonstruktion med programvara. För illustrationens skull förstoras bilderna med en faktor 10.

  • Original sensorbild (ljusstyrkainformation i svartvitt)

  • Svartvita sensorbilder överlagrade med ett virtuellt färgfilter

  • Förbehandlad bild med programfilter

  • Helt redigerad bild inklusive rekonstruktion

Alternativ utveckling

En XTrans-matris

Kodak har experimenterat med olika pixelarrangemang med ytterligare "vita" pixlar. Sony hade också installerat ”vita” pixlar i vissa modeller och, till exempel, används en bildsensor med två nyanser av grönt i Sony DSC-F 828 i 2003 ( RGEB = r ed (röd) / g reen (grön) / e merald (smaragdgrön) / b lue (blå)).

Dessutom utvecklades en Bayer-variant där de två gröna pixlarna i ett 2 × 2-block var och en hade olika färgfilter (för lite olika nyanser av grönt). Denna variant användes till exempel i Canon EOS 7D och ibland av andra tillverkare.

Fujifilm introducerade ett annat tillvägagångssätt med sin Fujifilm X-Pro1- kamera, som lanserades 2012 : RGB-pixlarna var i ett annat förhållande (22% / 56% / 22% istället för 25% / 50% / 25%) och ett annat ett arrangemang (XTrans) fördelat på sensorn, enhetscellen (enligt vilken mönstret upprepas) ökar från 2 × 2 till 6 × 6 pixlar, och varje pixelfärg visas i varje rad och varje kolumn. Eftersom röda och blå pixlar inte längre är exakt 2, men i genomsnitt 2,23 enheter från sina närmaste grannar i samma färg, minskas upplösningen av de röda och blå nivåerna med cirka tio procent, men paradoxalt nog också den gröna upplösningen. Eftersom varje grön pixel inom en grön 2 × 2 kvadrat fortfarande har exakt fyra gröna grannar, som med Bayer-mönstret, men nu ojämnt fördelat: två närmare och två längre bort.

Eftersom den matematiska forskningen om interpoleringsalgoritmer för färgmönster regelbundet startar från ett klassiskt Bayer-mönster, kan sådana alternativa färgmönsteridéer ofta inte dra nytta av kvaliteten på nyare algoritmiska tillvägagångssätt och är följaktligen i kvaliteten på implementeringen i en fullfärgsbild genom bildkonvertering -Software missgynnad.

webb-länkar

Individuella bevis

  1. ↑ Uwe Furtner: Färgbehandling med Bayer Mosaic-sensorer (PDF; 350 kB) Matrix Vision GmbH. 31 augusti 2001. Hämtad 27 december 2010.
  2. ↑ Sony digitalkamera DSC-F 828 med fyrfärgschip - bättre än de andra , test.de (mars 2003), nås online den 2 oktober 2012